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DE10224288A1 - Steering torque device for measuring angle of rotation determines torque in a motor vehicle steering mechanism with a magnetoresistive sensor - Google Patents

Steering torque device for measuring angle of rotation determines torque in a motor vehicle steering mechanism with a magnetoresistive sensor

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DE10224288A1
DE10224288A1 DE2002124288 DE10224288A DE10224288A1 DE 10224288 A1 DE10224288 A1 DE 10224288A1 DE 2002124288 DE2002124288 DE 2002124288 DE 10224288 A DE10224288 A DE 10224288A DE 10224288 A1 DE10224288 A1 DE 10224288A1
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DE
Germany
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magnetoresistive sensor
angle
output signals
steering
zero point
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE2002124288
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German (de)
Inventor
Wolfgang Abele
Walter Cerny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Original Assignee
ZF Lenksysteme GmbH
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Publication date
Application filed by ZF Lenksysteme GmbH filed Critical ZF Lenksysteme GmbH
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Abstract

A magnetoresistive sensor measures a magnetic body's angle of rotation (AOR) (phi) and generates two out-of-phase sinusoidal output signals (OSOS) (4,5). For accuracy, a zero point (7) is placed in an AOR area, in which the OSOS have a high gradient, i.e. where the total for differentiations in the signals is maximum and a signal short-circuit has no effect on steering behavior regarding safety.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels, insbesondere zur Bestimmung eines Lenkdrehmomentes einer Lenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device for measuring an angle of rotation, in particular for determining a steering torque of a steering system according to the preamble of Claim 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. Magnetoresistive sensors for contactless detection of changes in position of bodies are known. This can be, for example, a measurement of a translatory movement or an angle measurement on a rotatably mounted part. The angle measurement is based on an anisotropic magnetoresistive effect. Ferromagnetic materials (3d transition metals) exhibit spontaneous magnetization due to atomic exchange interactions. The electrical resistance R of a magnetoresistive resistance strip is a function of the angle ⊖ JM between the vector of the current density J and the magnetization M. The electrical resistance changes periodically with half the magnetic wavelength or with the pole width of the magnetic scale and takes the maximum value when the vectors of the electric current density J and the magnetization M are aligned in parallel. The minimum resistance value R is reached when the two vectors J and M are perpendicular to each other.

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. In an elongated strip of magnetoresistive material such as permalloy, an alloy of approximately 80% nickel and 20% iron, a magnetization M occurs without an external magnetic field H in the longitudinal direction of the strip. A magnetic field H applied transversely to the elongated strip of magnetoresistive material rotates the magnetization M more or less strongly in the direction of the magnetic field H depending on the field strength. As a result, the angle ⊖ JM between electrical current density J and magnetization M and the total resistance R of the strip changes made of magnetoresistive 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. With a full revolution of the magnetoresistive sensor compared to the Magnetic field results in two periods of resistance change. The magnetoresistive Stripe is applied in a meandering manner on a substrate using thin film technology two magnetoresistive resistance meanders are arranged so that result in phase-shifted sinusoidal output signals of the magnetoresistive sensor.

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. An evaluation circuit preferably integrated in the magnetoresistive sensor is determined the instantaneous angle of rotation of the part inducing the magnetic field H. relative to the sensor or the angle of rotation of the sensor relative to the magnetic field.

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. The evaluation circuit calculates the angle of rotation by means of a Arc tangent calculation of the two output signals, the zero point of the magnetoresistive sensor at arctan - 0 (sinφ = 0, cosφ = 1) is selected.

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. The device for measuring the angle of rotation for determining positions safety-relevant system parts, such as for determining torques Steering used, it may be possible that a signal short circuit between sine φ and cosine φ a plausible signal, but signal wrong by 45 ° is produced. Additional plausibility checks of the signals are therefore necessary.

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. In addition, the accuracy of the determination of the angle of rotation is around the one defined in this way Zero point not optimal, because the cosine signal is only slightly at the zero point (0.02%) changes.

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. The invention has for its object a device for measuring a To create an angle of rotation that enables improved measurement results with a simple structure and no safety-relevant false signals are generated in the event of line short circuits.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved with a device having the features of claim 1.

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. Characterized in that by the device for measuring the angle of rotation, in particular through the evaluation circuit of the device, the zero point of the magnetoresistive Sensor is placed in a range of sinusoidal output signals in which both Signals a high gradient, i. H. have a high slope, the zero point is exact detectable. The zero point is placed at a point where the sum of the Derivatives of the individual sinusoidal output signals is greatest.

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. In addition, the device, in particular the evaluation circuit ensures that no plausible signal is generated if the signals are short-circuited, so that, for example, when using the device as a sensor for Steering torques of a steering system, no incorrect steering can occur.

Im Nullpunkt des magnetoresistiven Sensors ist die Gleichung
d(sinφ/dφ + dcosφ/dφ)/dφ = 0, wobei φ der Drehwinkel ist.
The equation is at the zero point of the magnetoresistive sensor
d (sinφ / dφ + dcosφ / dφ) / dφ = 0, where φ is the angle of rotation.

Der Nullpunkt wird demzufolge bei φ = 45° oder φ = 225° festgelegt. Er lässt sich über eine Differenzmessung |sinφ - cosφ| = 0 bestimmen. The zero point is therefore set at φ = 45 ° or φ = 225 °. He can be over a difference measurement | sinφ - cosφ | = 0 determine.

Da es sich um eine Bestimmung des Nullpunktes mit relativen Größen handelt, ist die Bestimmung des Nullpunktes unabhängig von etwaigen Versorgungsspannungsschwankungen des magnetoresistiven Sensors. Since this is a determination of the zero point with relative quantities, the Determination of the zero point regardless of any Supply voltage fluctuations of the magnetoresistive sensor.

Es ist zweckmäßig, auf die sinusförmigen Spannungs-Ausgangssignale des Sensors eine konstante Spannung zu addieren, um diese in den positiven Bereich zu verschieben. It is useful to refer to the sinusoidal voltage output signals from the sensor add a constant voltage to make this positive move.

Mit der Vorrichtung lassen sich auch in Verbindung mit Summiergliedern oder einer getrieblichen Verbindung der Vorrichtung mit der Lenkung Lenkwinkel der Lenkung ermitteln. The device can also be used in conjunction with summation elements or one gear connection of the device with the steering steering angle of the steering determine.

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. To improve the temperature compensation, it may be appropriate magnetoresistive sensor with a half-bridge or full-bridge design Train sensor element, as this makes the temperature dependence of the resistance of the Resistance meander is largely compensated for.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. An embodiment of the invention is shown below with reference to the drawing.

In der Zeichnung zeigt: The drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels Fig. 1 is a schematic view of a device for measuring an angle of rotation

Fig. 2 einen Signalverlauf zweier phasenverschobener, sinusförmiger Ausgangssignale eines magnetoresistiven Sensors der Vorrichtung in Fig. 1. FIG. 2 shows a signal curve of two phase-shifted, sinusoidal output signals from a magnetoresistive sensor of the device 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. In Fig. 1 is a schematic view of a device 1 for contactless measurement of a rotation angle of φ about an axis 8 rotatably arranged magnetic body 3 is shown. The device 1 has a magnetoresistive sensor 2 with an integrated evaluation circuit 6 . The magnetoresistive sensor 2 is arranged such that when the magnetic body 3 rotates, the field lines flood the sensor 2 analogously to the angle of rotation 9 .

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. Characterized in that the resistor meander are arranged in the sensor 2 so that at the same time a the sine and the cosine of twice the magnetization angle-proportional measurement voltage or output signals 4, 5 can be picked up, can at the same time, the two output signals 4 are detected. 5

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. In order to achieve the most precise possible zero point determination of the device, the invention provides for the zero point 7 of the device to be set by the evaluation circuit in a range of the rotation angle φ ( FIG. 2) in which both sinusoidal output signals 4 , 5 have a high gradient , The zero point 7 is determined so that the sum of the derivatives of the output signals reaches an absolute maximum at this point.

Im Nullpunkt 7 sind folgende Bedingungen erfüllt:


sinφ = cos
wobei der Nullpunkt 7 beispielsweise bei φ = 45° oder φ = 225° liegen kann.
The following conditions are met in zero 7 :


sinφ = cos
where the zero point 7 can be, for example, φ = 45 ° or φ = 225 °.

Dadurch ist die Nullpunkteinstellung durch eine Differenzmessung gemäß |sinφ - cosφ| = 0 vorgenommen. As a result, the zero point is adjusted by a difference measurement | sinφ - cosφ | = 0 made.

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
This condition describes the short circuit of both signals, in which case the device outputs a zero value. If the device is used, for example, to measure a torsion angle of a torsion bar in a steering system, for measuring a steering torque, then there is no self-steering process and no steering steering torque is generated by the steering system. Due to the differential measurement, the measuring accuracy of the device is largely independent of temperature and independent of fluctuations in its supply voltage. REFERENCE SIGN LIST 1 device
2 sensor, magnetoresistive
3 bodies, magnetic
4 output signal
5 output signal
6 evaluation circuit
7 zero point
8 axis
φ angle of rotation

Claims (7)

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. 1. Device for measuring an angle of rotation (φ), in particular for determining a steering torque of a steering system, with a magnetoresistive sensor ( 2 ), the magnetoresistive sensor ( 2 ) under the influence of an alternating magnetic field, caused by a magnetic body ( 3 ) in the proximity of the magnetoresistive sensor ( 2 ) generates two phase-shifted sinusoidal output signals ( 4 , 5 ), and with an evaluation circuit ( 6 ) for determining the respective angle of rotation (φ) of the body ( 3 ), characterized in that the evaluation circuit ( 6 ) the zero point ( 7 ) of the magnetoresistive sensor ( 2 ) is fixed in a range of the angle of rotation (φ) in which both sinusoidal output signals ( 4 , 5 ) have a high gradient. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Signalkurzschluss der Ausgangssignale (4, 5) kein plausibles Ausgangssignal generiert ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that no plausible output signal is generated when the output signals ( 4 , 5 ) are short-circuited. 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. 3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that at the zero point ( 7 ) of the magnetoresistive sensor ( 2 ) the sum of the derivatives of the sinusoidal output signals ( 4 , 5 ) is maximum. 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. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the zero point ( 7 ) of the magnetoresistive sensor ( 2 ) by a difference measurement | sinφ - cosφ | = 0 is determined. 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. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that fluctuations in the supply voltage of the magnetoresistive sensor ( 2 ) have no influence on the position of the zero point ( 7 ). 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. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a constant voltage is added to the sinusoidal output signals ( 4 , 5 ), so that the valency of the sinusoidal output signals ( 4 , 5 ) is positive. 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. 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a steering angle of a steering system of a motor vehicle is determined by the device ( 1 ) together with a gear connection of the steering to the device ( 1 ).
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