Drehmoments

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden Drehmoments und eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Drehmomentsensor mit der Steuervorrichtung . Aus der DE 10 2007 059 361 AI ist ein Drehmomentsensor bekannt, der basierend auf einer Phasenlage zweier axial zueinander beabstandeter und sich drehender Encoderräder an einer Welle ein an diese Welle angelegtes Drehmoment bestimmt. Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Drehmomentsensor zu verbessern .

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der ab- hängigen Ansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Phasenlagen-Unterschieds zwischen einem ersten periodischen Messsignal und einem zweiten periodischen Mess- signal, wobei die beiden periodischen Messsignale für die

Bestimmung eines an einer Welle anliegenden Drehmomentes eine Drehung der Welle in einem axialen Abstand zueinander beschreiben, die Schritte:

Überlagern des ersten periodischen Messsignals mit einem eine vorbekannte Drehzahl für die Welle simulierenden perio ^¬ dischen Hilfssignal zu einem Überlagerungssignal, und

Bestimmen des Phasenlagen-Unterschieds in Abhängigkeit des Überlagerungssignals und des zweiten Messsignals. Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass die periodischen Messsignale, insbesondere bei einem Drehmoment ^¬ sensor der eingangs genannten Art bei stillstehender Welle nur dann vorhanden sind, wenn sich die Welle dreht. In vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei einer Lenkstange, wäre es jedoch wünschenswert, ein auf die Welle wirkendes Drehmoment auch dann zu erfassen, wenn sich die Welle nicht dreht, also still steht. Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, das Drehen der Welle zu simulieren und wenigstens eines der beiden periodischen Messsignale mit einem die Drehung simulierenden periodischen Hilfssignal zu überlagern. Auf diese Weise kann die Phasenlage der Welle über den axialen Abstand der Welle hinweg auch im Stillstand, oder auch bei sehr langsamen Drehungen der Welle erfasst und zum auf die Welle wirkenden Drehmoment ausgewertet werden.

In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Überlagern des zweiten periodischen Messsignals mit einem eine weitere vorbekannte Drehzahl für die Welle simu ^¬ lierenden weiteren periodischen Hilfssignal zu einem weiteren Überlagerungssignal. Auf diese Weise wird an beiden Punkten der Welle über den axialen Abstand hinweg das Drehen simuliert. In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens sind das periodische Hilfssignal und das weitere periodische Hilfssignal gleich, so dass die vorbekannte Drehzahl und die weitere vorbekannte Drehzahl gleich sind. Auf diese Weise entspricht der Phasenlagen-Unterschied zwischen dem Überla- gerungssignal dem weiteren Überlagerungssignal direkt dem

Phasenlagen-Unterschied zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal.

In einer anderen Weiterbildung wird das erste periodische Messsignal mit dem periodischen Überlagerungssignal überlagert, wenn eine reale Drehzahl der Welle einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Der vorbestimmte Wert kann dabei beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann er so gewählt werden, dass das angegebene Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn die Welle still steht oder nahe dem Stillstand ist.

In einer noch anderen Weiterbildung werden das erste und zweite periodische Messsignal entsprechend basierend auf einem ersten und zweiten magnetischen Drehfeld erzeugt, die jeweils drehfest zur Welle von dieser abgegeben werden.

Das Hilfssignal kann dabei beliebig erzeugt werden. Bei- spielsweise kann das Hilfssignal direkt von einer Hilfssig- nalquelle abgegeben und mit dem ersten Messsignal überlagert werden. Entsprechendes gilt für das zweite Messsignal und das weitere Hilfssignal. In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens kann jedoch zum Überlagern des ersten periodischen Messsignals mit dem periodischen Hilfssignal auch das erste magnetische Drehfeld mit einem das periodische Hilfssignal erzeugenden periodischen Hilfsmagnetfeld überlagert werden.

In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens sind eine reale Drehzahl der Welle und die vorbekannte Drehzahl der Welle entgegengerichtet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich durch Erhöhen der realen Drehzahl die reale Bewegung und die simulierte Bewegung der Welle nicht gegenseitig aufheben und damit bei einer sehr hohen Bewegung der Welle ein Stillstand simuliert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen. In einer Weiterbildung der angegebenen Vorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist eines angegebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Compu- terprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem compu ^¬ terlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Drehmomentsensor zum Erfassen eines an einer Welle anliegenden Drehmoments basierend auf einem Phasenlagen-Unterschied zwi ^¬ schen einem ersten periodischen Messsignal und einem zweiten periodischen Messsignal eine der angegebenen Vorrichtungen zum Erzeugen der beiden periodischen Messsignale und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Drehmoments basierend auf dem Phasenlagen-Unterschied zwischen den beiden Messsignalen. Der angegebene Drehmomentsensor kann in jeder beliebigen Applikation, beispielsweise in einem Fahrzeug zum Erfassen eines Drehmomentes an einer Torsionswelle, wie einer Lenkwelle verwendet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen angegebenen Drehmomentsensor.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei : Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lenksystems für ein Fahrzeug,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Drehmomentsensors in dem Fahrzeug der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Auswerteschaltung für den Drehmomentsensors der Fig. 2, und Fig. 4 ein zeitliches Diagramm mit Messsignalen in der Auswerteschaltung der Fig. 3 zeigen.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Lenksystem 2 für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug zeigt. Das Lenksystem 2 umfasst ein Lenkrad 4, das auf eine Welle 6 aufgesetzt ist, die wiederum um eine Rotationsachse 8 drehbar angeordnet ist. Das Lenkrad 4 ist somit eingerichtet, basierend auf einer Winkelstellung 10 um die Rotationsachse 8 einen Lenkwinkel zur Einstellung eines Lenkgetriebes 12 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges vorzugeben. Dazu wird das Lenkrad 4 beispielsweise von einem Fahrer des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gedreht.

Die Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 wird in der vorliegenden Ausführung von einer Antriebsvorrichtung 14 erfasst, die dann mittels eines nicht weiter gezeigten Motors in der Antriebs ^¬ vorrichtung 14 eine Lenkwelle 16 antreibt, um das Lenkge ^¬ triebe 12 so zu betätigen, dass Räder 18 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gemäß dem durch die Winkelstellung 10 repräsentierten Lenkwinkels in einer dem Fachmann bekannten Weise eingeschlagen werden.

Um die Räder 18 über die Antriebsvorrichtung 14 basierend auf der Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 einschlagen zu können, muss die Winkelstellung 10 erfasst werden . Dazu können beispielsweise die in Fig. 2 und 3 gezeigten Lenkwinkelsensoren 20 verwendet werden .

Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen Lenkwinkelsensor 20 für das Lenksystem 2 aus Fig. 1 zeigt.

Der Lenkwinkelsensor 20 weist ein erstes Encoderrad 22, ein axial und konzentrisch mit dem ersten Encoderrad 22 verbundenes Gewinde in Form einer Schnecke 24 und ein zweites, axial und konzentrisch mit dem der Schnecke 24 verbundenes zweites Encoderrad 26 auf, das dem ersten Encoderrad 22 an der

Schnecke 22 axial gegenüberliegt.

Die Schnecke 24 ist in der vorliegenden Ausführung aus einem elastischen Material ausgebildet und kann durch Aufbringen zweier entgegengesetzter Drehmomente an den Encoderrädern 22, 26 elastisch verdreht werden. Die Welle 6 ist an der Stelle des Lenkwinkelsensors 20 axial in zwei Teile unterbrochen, wobei am ersten Teil der unterbrochenen Welle 6 das erste Encoderrad 22 und am zweiten Teil der unterbrochenen Welle 6 das zweite Encoderrad 26 angeordnet ist. Wird die Welle 4 daher mit dem Lenkrad 4 gedreht, wird der Lenkwinkelsensor 20 einerseits in die Winkelstellung 10 überführt. Gleichzeitig wird der Lenk ^¬ winkelsensor 20 beim Überführen in die Winkelstellung 10 mit einem Drehmoment 28 verdreht.

Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll die Winkelstellung 10 und das Drehmoment 28 messtechnisch erfassbar sein.

Zur Erfassung der Winkelstellung weist die Schnecke 24 Windungen 30 auf, in die ein Plättchen 32 eines Geberelementes 34 ein greift, auf das von der Rotationsachse 8 der Welle 6 aus betrachtet radial ein Gebermagnet 36 aufgesetzt ist. Wird die Welle 6 in der in Fig. 1 gezeigten Weise durch Drehen des Lenkrads 4 in die Winkelstellung 10 überführt, wird das Ge ^¬ berelement 34 durch die sich mit der Welle 6 drehende Schnecke 24 axial zur Welle 6 bewegt und in eine von der Winkelstellung 10 abhängige axiale Stellung 38 gesetzt. Das Geberelement 34 kann dabei in einer nicht weiter dargestellten Weise axial zur Welle 6 geführt sein.

Das heißt, dass wenn die axiale Stellung 38 des Geberelementes 34 bekannt ist, ist auch die Winkelstellung 10 der Welle 6 und damit des Lenkrads 4 bekannt.

Um die axiale Stellung 38 zu erfassen, ist in der vorliegenden Ausführung eine Auswerteschaltung 40 mit einem ersten

magnetoresistiver Messaufnehmer 42, wie beispielsweise ein Hallsensor, ein anisotroper magnetoresistiver Sensor oder ein gigamagnetoresitiver Sensor vorgesehen, wobei der erste magnetoresistive Messaufnehmer 42 in einer dem Fachmann bekannten Weise ein von der axialen Stellung 38 des Gebermagneten 36 des Geberelements 34 linear abhängiges Absolutsignal ausgibt. Dazu ist die Auswerteschaltung 40 mit dem ersten magnetoresistiver Messaufnehmer 42 hinsichtlich der Drehung der Welle 6 und der axialen Bewegung des Geberelementes 30 ange ^¬ ordnet. Details zur Erzeugung eines von der Position eines Gebermagneten linear abhängiges Signals mit einem

magnetoresisitiven Messaufnehmer können beispielsweise der DE 10 2006 030 746 AI entnommen werden und werden daher der Kürze halber nachstehend nicht weiter erläutert.

Am ersten Encoderrad 22 sind umfänglich Magnete 48 angeordnet, deren Pole sich in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades 22 erstrecken. Auf diese Weise wird vom ersten Encoderrad 22 über die Magnete 48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld ab ^¬ gegeben, das in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades 22 ortabhängig ist. Radial oberhalb des ersten Encoderrades 22 ist der zweite magnetoresistive Messaufnehmer 46 angeordnet , der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem ersten Encoderrad 22 erfasst und so ein in Fig. 3 gezeigtes erstes Winkelsignal 50 ausgibt, das die Winkellage des ersten Encoderrades 22 angibt. Die Erzeugung des Winkelsignals 50 erfolgt analog zum

Absolutsignal 44 und kann bedarfsweise in der Druckschrift DE 10 2006 030 746 AI nachgeschlagen werden.

Am zweiten Encoderrad 26 sind wie am ersten Encoderrad 22 umfänglich Magnete 48 angeordnet, deren Pole sich in Um- fangsrichtung des zweiten Encoderrades 26 erstrecken. Auf diese Weise wird auch vom zweiten Encoderrad 26 über die Magnete 48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld abgegeben, das in Um- fangsrichtung des zweiten Encoderrades 26 ortabhängig ist. Radial oberhalb der des zweiten Encoderrades 26 ist ein dritter magnetoresistive Messaufnehmer 52 angeordnet, der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem zweiten Encoderrad 26 erfasst und so ein zweites Winkelsignal 54 ausgibt, das die Winkellage des zweiten Encoderrades 26 angibt. Die Erzeugung des zweiten Winkelsignals 54 erfolgt analog zum ersten Winkel- signal 50 und zum Absolutsignal 44 und kann ebenfalls be ^¬ darfsweise in der Druckschrift DE 10 2006 030 746 AI nachge ^¬ schlagen werden.

Anhand von Fig. 3, die einen Schaltplan für einen Teil 56 der Auswerteschaltung 40 der Fig. 2 zeigt, soll nachstehend die Bestimmung des Drehmoments 28 näher erläutert werden.

Dazu ist die Schnecke 24 in der vorliegenden Ausführung torsionsfähig ausgebildet. Das heißt, dass durch Anlegen des Drehmomentes 28 die Schnecke 24 in Richtung des Drehmomentes 28 verdreht werden kann, wodurch zwischen dem ersten Encoderrad 22 und dem zweiten Encoderrad 26 eine Phasenlagen-Differenz auftritt, was heißt, dass das erste Encoderrad 22 eine Win ^¬ kelstellung 10 aufweist, die von der Winkelstellung 10 des zweiten Encoderrad 26 verschieden ist. Zum Messen des Drehmomentes 28 wird dies ausgenutzt, denn das Drehmoment 28 ist in einer vorbestimmten Weise von dieser Phasenlagen-Differenz und damit der Differenz zwischen den Winkelstellungen 10 abhängig. Um die Phasenlagen-Differenz zu bestimmen werden daher mit dem in Fig. 3 gezeigten Teil 56 der Auswerteschaltung 40 zunächst die Winkelsignale 50, 54 ausgewertet und die Winkellagen 10 der Encoderräder 22, 26 bestimmt. Die Winkelsignale 50, 54 werden, wie bereits erläutert, mittels den magnetoresistiven Messaufnehmer 46, 52 erzeugt, die durch die Bewegung der Encoderräder 22, 26 in an sich bekannter Weise ihren elektrischen Widerstand ändern. Diese elektrische Widerstandsänderung wird in der vorliegenden Ausführung mit Messbrücken 58 ausgewertet, die in an sich bekannter Weise aus elektrischen Widerständen 60 aufgebaut sind.

Da die Bewegung der Encoderräder 22, 26 Drehungen sind, ändert sich der elektrische Widerstand der magnetoresistiven

Messaufnehmer 46, 52 über die Winkelstellung 10 der

Encoderräder 22, 26 periodisch, so dass auch die durch die Widerstandsänderung erzeugten Winkelsignale 50, 54 periodische Messsignale sind. Eine Phasenlagen-Differenz zwischen diesen periodischen Winkelsignale 50, 54 ist direkt die gesuchte, von dem Drehmoment 28 abhängige Phasenlagen-Differenz.

Die Phasenlagen-Differenz ist jedoch nur dann messbar, wenn die periodischen Winkelsignale 50, 54 in ihrer Amplitude ausreichend groß sind. Diese periodischen Winkelsignale 50, 54 sind wie- derrum nur dann in ihrer Amplitude ausreichend groß, wenn sich die Encoderräder 22, 26 drehen. Anders ausgedrückt, stehen die Encoderräder 22, 26 aufgrund eines aufgebrachten Drehmoments 28 mit einer bestimmten Differenz in ihrer Winkellage 10 statisch zueinander, lässt sich das Drehmoment 28 nicht allein basierend auf den Winkelsignalen 50, 54 erfassen, da diese in ihrer Amplitude nicht ausreichend groß sind, um die Phasenla ^¬ gen-Differenz auszuwerten.

Um diesem Problem entgegenzutreten werden im Rahmen der vorliegenden Ausführung die Winkelsignale 50, 54 mit entsprechend einem ersten periodischen Hilfssignal 62 und einem zweiten periodischen Hilfssignal 64 überlagert. Die beiden periodischen Hilfssignale 62, 64 werden in der vorliegenden Ausführung aus einer gemeinsamen Hilfssignalquelle 66 ausgegeben und können beispielsweise über einen Schalter 68 derart gesteuert werden, dass die Ausgabe beispielsweise nur unterhalb einer bestimmten Drehgeschwindigkeit der Welle 6 erfolgt.

Die Überlagerung der Winkelsignale 50, 54 und der Hilfssig ^¬ nale 62, 64 führt entsprechend zu einem ersten periodischen Überlagerungssignal 70 und einem zweiten Überlagerungssig ^¬ nal 72, die dann entsprechend an Komparatoren 74 angelegt werden. Die Hilfssignale 62, 64 weisen im Rahmen der vorliegenden Ausführung eine Frequenz auf, die eine Drehzahl simuliert, mit der die Welle 6 virtuell gedreht wird. Durch die unter ^¬ schiedlichen Winkellagen 10 der Encoderräder 22, 26 werden die Hilfssignale 62, 64 basierend auf den Winkelsignalen 50, 54 derart phasenmoduliert , dass in den Überlagerungssignalen 70, 72 eine Phasenlagen-Differenz 74 enthalten ist, aus das an die Welle angelegte Drehmoment 28 entnehmbar ist. Daher braucht im Rahmen der vorliegenden Ausführung lediglich diese Phasenlagen-Differenz 74 bestimmt und daraus das gesuchte Drehmoment 28 beispielsweise basierend auf einer vorab bestimmten Kennlinie 75 bestimmt zu werden. Zwar könnte die Phasenlagen-Differenz 74 direkt aus den beiden Überlagerungssignalen 70, 72 bestimmt werden, im Rahmen der vorliegenden Ausführung werden die Überlagerungssignale 70, 72 in Komparatoren 76 in periodische Rechtecksignale 78 gewandelt, die die Ermittlung der Phasenlagen-Differenz 74 in einer entsprechenden Ermittlungseinrichtung 80 deutlich vereinfachen .

Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die ein zeitliches Diagramm 82 mit den Überlagerungssignalen 70, 72 und den dazugehörigen Rechtecksignalen 78 in dem Teil 56 der Auswerteschaltung 40 der Fig. 3 zeigt. In dem Diagramm sind als Signalwerte Span ^¬ nungswerte 84 über die Zeit 86 aufgetragen.

Wie in Fig. 4 zu sehen, werden die Rechtecksignale 78 basierend auf Schaltpunkten 88 generiert, an denen die Überlagerungs ^¬ signale 70, 72 ihr Vorzeichen wechseln. Damit diese Schalt ^¬ punkte 88 nicht fehlerhaft erzeugt werden und zu einer falschen Phasenlagen-Differenz 74 führen, muss die Amplituden 90 der Überlagerungssignale 70, 72 ausreichend hoch sein.

Hierzu sind die Hilfssignale 62, 64 vorhanden, die in die Überlagerungssignale 70, 72 einen Signaloffset 92 eintragen, um die Komparatoren 76 so zu stimulieren, dass die oben genannten Schaltpunkte 88 entsprechend der Winkelstellung der beiden Encoderräder 22, 26 generiert werden.