Bestimmung einer Position eines Pedals

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaktlosen Bestim mung einer Position eines Pedals, insbesondere in einem Fahrzeug, aufweisend zu mindest einen Magneten und einen Sensor.

Heutige Fahrzeuge übertragen das Positionssignal eines Pedals, beispielsweise eines Bremspedals, über Hydraulikleitungen zu den Bremszylindern. Es sind ebenfalls Sys teme bekannt, bei denen die Position des Pedals kontaktlos erfasst und an das Bremssystem weitergeleitet wird.

Eine kontaktlose Erfassung der Position kann über einen positionsgebenden Magne ten und einen positionsbestimmenden Sensor, beispielsweise einen Hall-Sensor, er folgen. In diesen Fällen ist der Magnet so angeordnet, dass eine Bewegung des Pe dals in eine Bewegung des Magneten überführt wird. Das von dem Magneten er zeugte magnetische Feld wird von dem Sensor erfasst und weiterverarbeitet.

Das magnetische Feld zeichnet sich durch eine Periodizität aus. Damit ist eine ein deutige Positionsbestimmung nur in einem begrenzten Bereich möglich und die maxi mal zu detektierenden Positionen des Magneten sind limitiert.

Es ist eine Auslegung des Magneten erforderlich, bei der alle Positionen kontinuierlich erfasst werden können. Dafür sind große Magnete notwendig, was zu erhöhten Kos ten führt.

An die Funktionssicherheit einer Fahrzeugbremsanlage werden hohe Anforderungen gestellt. Deshalb muss die Bestimmung der Position eines Pedals zur Bremsanforde rung ausgesprochen genau und zuverlässig erfolgen. Um die Anforderungen an die Funktionssicherheit zu gewährleisten, müssen positi onsbestimmende Sensoren qualifiziert und störfeldrobust sein. Werden die Anforde rungen nicht erfüllt, muss das System redundant ausgelegt werden, was zu erhöhten Bauteil- und Leiterkartenkosten führt.

An diesem Punkt setzt die Erfindung an.

Der Erfindung lag das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die fehlende Eindeutigkeit des periodischen magnetischen Feldes nicht relevant ist und gleichzeitig die Größe des positionsgebenden Magneten minimierbar ist, um Kosten zu sparen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur kon taktlosen Bestimmung einer Position eines Pedals, insbesondere in einem Fahrzeug, zumindest einen Magneten und einen Sensor aufweist, wobei der Magnet ein mit der Position des Pedals veränderliches magnetisches Feld erzeugt, welches mittels des Sensors erfassbar ist und der Sensor einen Ausgang zum Bereitstellen von mindes tens einem Sensorsignal aufweist, wobei

- die Vorrichtung ein Verarbeitungsmittel aufweist,

- das Verarbeitungsmittel Eingänge zum Einlesen von dem mindestens einen Sensorsignal und Ausgänge zum Ausgeben eines Ausgangssignals aufweist,

- ein erster und ein zweiter Positionsbereich definiert ist, wobei jeder Positions bereich Positionen des Magneten zum Sensor umfasst,

- das Verarbeitungsmittel aus dem mindestens einen Sensorsignal ein Aus

gangssignal generiert, wobei das Ausgangssignal in dem ersten Positionsbe reich Werte annimmt, die eindeutig einer Position des Magneten relativ zum Sensor zugeordnet sind, und in dem zweiten Positionsbereich einen konstanten Wert annimmt, der unabhängig von der Position des Magneten relativ zum Sensor ist.

Eine Positionsbestimmung für ein Pedal, insbesondere in einem Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein Teil der möglichen Positionen des Magneten relativ zum Sensor in einem ersten Positionsbereich kontinuierlich erfasst werden muss. In diesem Bereich ist es wichtig, die Position des Magneten genau zu kennen, um eine Bremsanforderung an die Bremsanlage zu geben, die der Position des Pedals ent spricht.

Ab einer bestimmten Position, die einer Vollbremsung entsprechen soll, ist die genaue Position des Magneten relativ zum Sensor unerheblich. Es muss vielmehr sicherge stellt werden, dass die Bremsanforderung an die Bremsanlage groß genug ist. Hierfür ist ein konstanter Wert als Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus reichend, da eine Vollbremsung die maximal mögliche Bremswirkung entfaltet und nicht noch weiter gesteigert werden kann.

Um die Position des Pedals feststellen zu können, besteht die Möglichkeit, dass der Magnet über ein Element mit dem Pedal verbunden ist oder an dem Pedal angebracht ist. So wird eine Bewegung des Pedals in eine Bewegung des Magneten überführt.

Da der Sensor nicht zwingend in der Nähe des Pedals liegen muss, kann der Magnet beispielsweise über eine Koppelstange mit dem Pedal verbunden sein und in der Nähe des Sensors angebracht werden.

Üblicherweise werden als Magneten Permanentmagneten verwendet, die ein magneti sches Feld erzeugen. Es ist durchaus vorstellbar, auch andere Arten von Magneten einzusetzen. Der Vorteil eines Permanentmagneten liegt in der vergleichsweise kos tengünstigen Realisierung.

Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor mindestens zwei räumliche Komponenten des magnetischen Feldes erfasst. Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass mit tels des Sensors aus den mindestens zwei räumlichen Komponenten des magneti schen Feldes je ein Gradient ermittelbar ist und als Sensorsignale am Ausgang bereit stellbar sind. Es ist ohne weiteres vorstellbar, dass die vom Sensor erfassten räumlichen Kompo nenten des magnetischen Feldes zunächst als Sensorsignale am Ausgang bereitge stellt werden und die Berechnung der Gradienten im Verarbeitungsmittel stattfindet.

Die Gradienten des magnetischen Feldes können zur Positionsbestimmung genutzt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass mittels des Verarbeitungsm ittels aus den Sensorsignalen ein Positionssignal berechenbar ist.

Da die Gradienten des magnetischen Feldes eine Periodizität aufweisen, kann eine Positionsbestimmung nur in einem abgegrenzten Bereich erfolgen. Es muss sicherge stellt sein, dass die fehlende Eindeutigkeit des Signals nicht zu Fehlbestimmungen der Position führt.

Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit, dass mittels des Verarbeitungsm ittels aus den Sensorsignalen eine Signalstärke berechenbar ist.

Die Signalstärke wird aus den Gradienten über die Formel Signalstärke = _L /DB| DB| berechnet. B _x und B _z stellen hierbei zwei räumliche Komponenten des magnetischen Feldes dar.

Ebenso besteht die Möglichkeit, dass mittels des Sensors aus den mindestens zwei räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes je ein Gradient ermittelbar ist und aus den Gradienten ein Positionssignal und/oder eine Signalstärke berechenbar ist, wobei das Positionssignal und/oder die Signalstärke als Sensorsignale am Ausgang bereitstellbar und an das Verarbeitungsmittel übergebbar sind.

Es ist ohne weiteres vorstellbar, dass auf die Ermittlung der Gradienten verzichtet wird und die Berechnung des Positionssignals und der Signalstärke aus den räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes erfolgt. Es bietet allerdings besondere Vor teile zur Berechnung des Positionssignals und der Signalstärke, zunächst die Gradi enten des magnetischen Feldes zu ermitteln, da diese besonders störfeldrobust ge genüber äußeren Einflüssen sind. Die Signalstärke dient hierbei nicht der eigentlichen Positionsbestimmung, sondern wird zur Schwellendetektion genutzt. Die Signalstärke des Gradientensignals zeichnet sich dadurch aus, dass in einem für die Schwellendetektion relevanten Bereich der Wert monoton fällt. Es wird ein vorher festzulegender Schwellenwert im Sensor oder im Verarbeitungsmittel hinterlegt, der auf Über- oder Unterschreiten geprüft wird.

Hierbei kann es vorgesehen sein, dass das Verarbeitungsmittel das Ausgangssignal generiert, wobei bei einer Signalstärke kleiner einem ersten hinterlegten Schwellen wert als Ausgangssignal ein konstanter Wert ausgegeben wird und ansonsten als Ausgangssignal das Positionssignal ausgegeben wird.

Ebenso ist es vorstellbar, dass eine Kombination aus dem Positionssignal und der Signalstärke genutzt wird, um das Ausgangsignal zu generieren.

Hier kann es vorgesehen sein, dass das Verarbeitungsmittel das Ausgangssignal ge mäß einer Fallunterscheidung generiert, wobei bei einem Positionssignal größer ei nem zweiten hinterlegten Schwellenwert oder bei einer Signalstärke kleiner einem drit ten hinterlegten Schwellenwert als Ausgangssignal ein konstanter Wert ausgegeben wird und ansonsten als Ausgangssignal das Positionssignal ausgegeben wird.

Es ist ohne weiteres vorstellbar, dass der erste Schwellenwert sich nicht von dem drit ten Schwellenwert unterscheidet.

Durch die Kombination aus Positionssignal und Signalstärke ist es möglich, die feh lende Eindeutigkeit des magnetischen Feldes zu kompensieren und eine Kennlinie über den gesamten Messbereich abzubilden. Es sind keine weiteren Kosten für zu sätzliche Bauteile und/oder größere Magneten aufzuwenden.

Weitergehend ist es denkbar, mehr als eine Schwelle für das Über- oder Unterschrei ten des Positionssignals und/oder der Signalstärke festzulegen, um weitere Positions- bereiche des Ausgangssignals zu definieren, in denen das Ausgangssignal vorbe stimmte oder vom Positionssignal oder einer anderen Größe abhängige Werte anneh men kann.

Es ist ohne weiteres vorstellbar, dass der Sensor und das Verarbeitungsmittel ein Bauteil bilden.

Es kann vorgesehen sein, dass ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung wenigstens die nachfolgenden Schritte aufweist:

- das Verarbeitungsmittel liest an einem Eingang mindestens ein Sensorsignal ein und gibt an seinem Ausgang ein Ausgangssignal aus,

- das Verarbeitungsmittel generiert in Anhängigkeit des mindestens einen Sen sorsignals ein Ausgangssignal, wobei das Ausgangssignal in dem ersten Positi onsbereich Werte annimmt, die eindeutig einer Position des Magneten relativ zum Sensor zugeordnet sind, und in dem zweiten Positionsbereich einen kon stanten Wert annimmt, der unabhängig von der Position des Magneten relativ zum Sensor ist.

Um die Sensorsignale am Eingang des Verarbeitungsm ittels einiesen zu können, kann es vorgesehen sein, dass ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

- der Sensor mindestens zwei räumliche Komponenten des magnetischen Fel des erfasst und

- mittels des Sensors aus den mindestens zwei räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes je ein Gradient ermittelt wird und als Sensorsignale am Ausgang bereitgestellt wird.

Aus den Gradienten der räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein Positionssignal und/oder eine Signalstärke in dem Verarbeitungsmittel ermittelt werden. Hierbei kann ein Verfahren vorgesehen sein, bei dem das Verarbeitungsmittel das Ausgangssignal generiert, wobei bei einer Signalstärke kleiner einem ersten hinterleg ten Schwellenwert als Ausgangssignal ein konstanter Wert ausgegeben wird und an sonsten als Ausgangssignal das Positionssignal ausgegeben wird.

Ebenso ist es vorstellbar, dass ein Verfahren vorgesehen ist, bei dem das Verarbei tungsmittel das Ausgangssignal gemäß einer Fallunterscheidung generiert, wobei bei einem Positionssignal größer einem zweiten hinterlegten Schwellenwert oder bei einer Signalstärke kleiner einem dritten hinterlegten Schwellenwert als Ausgangssignal ein konstanter Wert ausgegeben wird und ansonsten als Ausgangssignal das Positions signal ausgegeben wird.

Vorteilhafterweise ist ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausge stattet.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen

Fig. 3 einen Signalverlauf des Systems

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur kontaktlosen Bestimmung ei ner Position eines Pedals 2. Derartige Vorrichtungen 1 kommen vorzugsweise in Bremsanalgen von heutigen Fahrzeugen zum Einsatz.

Über ein verbindendes Element 16, beispielsweise eine Koppelstange, ist ein Magnet 3 an dem Pedal 2 angebracht, für welches eine Positionsbestimmung durchgeführt werden soll. So ist es möglich, eine Bewegung des Pedals in eine Bewegung 15 des Magneten 3 zu überführen. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Magnet 3 direkt an dem Pedal 2 angebracht ist. Al lerdings wird in den meisten Fällen der Sensor 4 nicht in unmittelbarer Nähe zu dem Pedal 2 liegen, so dass eine Übertragung der Bewegung des Pedals in die Nähe des Sensors 4 erfolgen muss.

Der Magnet 3, vorzugsweise wird ein Permanentmagnet verwendet, erzeugt ein mag netisches Feld 5, welches mit der Position des Magneten 3 veränderlich ist.

Dieses magnetische Feld 5 wird von dem Sensor 4 über geeignete Mittel 6 innerhalb oder an dem Sensor 4 erfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor 4 um ei nen Hall-Sensor handeln, dessen hall-sensitive Fläche 6 geeignet ist, um das magne tische Feld zu erfassen. Vorzugsweise wird ein Sensor 4 verwendet, der mindestens zwei räumliche Komponenten an mindestens zwei leicht gegeneinander verschobe nen Positionen des magnetischen Feldes 5 erfassen kann. Aus den räumlichen Kom ponenten der mindestens zwei Positionen des magnetischen Feldes 5 werden die Gradienten ermittelt. Dies geschieht vorzugsweise in dem Sensor 4.

Der Sensor 4 weist einen Ausgang 7 zum Bereitstellen des Sensorsignals oder der Sensorsignale 8 auf, das oder die über einen Eingang 10 zum Einlesen des Signals 8 an ein Verarbeitungsmittel 9 übergeben werden.

Es ist aber ohne weiteres denkbar, dass die erfassten räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes 5 zunächst an dem Ausgang 7 des Sensors 4 bereitgestellt wer den und die Ermittlung der Gradienten bereits im Verarbeitungsmittel 9 stattfinden.

Aus den mindestens zwei ermittelten Gradienten wird aus der Winkelinformation ein Positionssignal berechnet. Dieses Positionssignal ist nur in einem bestimmten Bereich eindeutig, so dass eine Positionsbestimmung in einem großen Messbereich anhand des Positionssignals alleine nicht eindeutig möglich ist. Daher wird aus den ermittelten Gradienten zusätzlich eine Signalstärke berechnet. Durch eine geeignete Kombination dieser beiden Signale ist es möglich, dass an ei nem Ausgang 11 des Verarbeitungsm ittels 9 ein Ausgangssignal 12 bereitgestellt wird, welches geeignet für die Bremsanforderung ist.

Figur 1a zeigt ein bevorzugtes Ausgangssignal 12. Das Ausgangssignal 12 weist min destens zwei Positionsbereiche 13, 14 auf, wobei das Ausgangssignal 12 in dem ers ten Positionsbereich 13 monoton steigt. Über diese monotone Steigung nimmt das Ausgangssignal 12 Werte an, die eindeutig einer Position des Magneten 3 relativ zum Sensor 4 und damit einer Position des Pedals 2 zugeordnet sind.

In dem zweiten Positionsbereich 14, beispielsweise ist dies der Bereich einer Voll bremsung, ist eine differenzierte Bremskraftanforderung nicht notwendig. Es ist ledig lich erforderlich, dass die volle Bremskraft abgerufen wird. Aus diesem Grunde nimmt das Ausgangssignal 12 in dem zweiten Positionsbereich 14 einen konstanten Wert an.

In Figur 2 ist anhand eines Ablaufdiagrammes das Verfahren nach den Ansprüchen näher erläutert.

Als erster Schritt wird das magnetische Feld 5 des Magneten 3 von einen Sensor 4 er fasst. Dies geschieht nach mindestens zwei räumlichen Komponenten getrennt. Wenn die Erfassung an mindestens zwei leicht gegeneinander verschobenen Positionen er folgt, kann aus den erfassten räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes 5 je ein Gradient ermittelt werden.

Aus den mindestens zwei ermittelten Gradienten ist es möglich, aufgrund einer Win kelbeziehung ein Positionssignal zu berechnen. Ebenso ist es möglich, aus den Gradi enten eine Signalstärke zu berechnen.

Das Ausgangsignal 12 wird gemäß einer Fallunterscheidung generiert. Zunächst wird überprüft, ob das Positionssignal einen Wert größer einer festgelegten zweiten Schwelle angenommen hat. Ist dies der Fall, befindet sich das Pedal 2 in ei ner Position, die dem zweiten Positionsbereich 14 entspricht, beispielsweise bei einer Vollbremsung. Als Ausgangsignal 12 wird der konstante Wert ausgegeben.

Hat das Positionssignal einen Wert angenommen, der kleiner ist als die zweite

Schwelle, findet eine weitere Abfrage statt.

Es wird überprüft, ob die ermittelte Signalstärke unter einer dritten Schwelle liegt. Ist dies der Fall, befindet sich das Pedal 2 in einer Position, die dem zweiten Positionsbe reich entspricht. Das Positionssignal, welches kleiner als die zweite Schwelle war, ist dann auf die fehlende Eindeutigkeit des Positionssignals insbesondere im zweiten Po sitionsbereich 14 zurückzuführen.

Als Ausgangssignal 12 wird auch in diesem Fall der konstante Wert angegeben.

Liegt die Signalstärke hingegen oberhalb der dritten Schwelle, befindet sich das Pedal 2 in einer Position, die dem ersten Positionsbereich entspricht. Es ist eine differen zierte Bremskraftanforderung notwendig, die über eine eindeutige Position des Mag neten 3 relativ zum Sensor 4 bestimmt wird.

Aus diesem Grunde wird als Ausgangssignal 12 das Positionssignal ausgegeben.

In Figur 3 wird ein möglicher Signalverlauf des Systems gezeigt.

In Teil a) werden typische Gradienten gezeigt, die aus zwei räumlichen Komponenten des magnetischen Feldes 5 ermittelt wurden.

Anhand der Gradienten werden das Positionssignal (b) und die Signalstärke (c) ge wonnen. Die Kennlinie des Positionssignal zeigt zunächst einen monoton steigen Ver lauf, dann allerdings einen Sprung und wiederum einen weiteren Anstieg. Dieser Sprung macht die Kennlinie in dem erforderlichen Messbereich uneindeutig. Die Signalstärke zeigt insbesondere in dem hinteren Teil der Kennlinie einen monoton fallenden Verlauf, der eine Schwellendetektion möglich macht.

Aus der Kombination des Positionssignals und der Signalstärke nach der in Figur 2 beschriebenen Fallunterscheidung ist es möglich, das gewünschte Ausgangsignal 12 zu generieren (Teil d). Es ist der erste Positionsbereich 13 mit einer monoton steigen den Kennlinie erkennbar, aufgrund derer eine eindeutige Position des Magneten 3 re lativ zum Sensor 4 zuordnenbar ist und eine zweiter Positionsbereich 14, in dem das Ausgangssignal 12 einen konstanten Wert annimmt.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Pedal

3 Magnet

4 Sensor

5 magnetisches Feld

6 Mittel zum Erfassen des magnetischen Feldes

7 Ausgang des Sensors

8 Sensorsignal

9 Verarbeitungsmittel

10 Eingang des Verarbeitungsmittels

11 Ausgang zum Ausgeben des Ausgangssignals

12 Ausgangssignal

13 erster Positionsbereich

14 zweiter Positionsbereich

15 Bewegung des Pedals

16 Element zwischen Pedal und Magnet