DE19736346C1

DE19736346C1 - Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenkradseite eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE19736346C1
Application number: DE1997136346
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Blaesing; Detlef Dr Kerkmann
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2017-08-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenkradseite eines Kraft fahrzeuges mittels eines koaxial zur Lenkachse angeordneten Transfor mators. Derartige Vorrichtungen werden von der Automobilindustrie ge fordert als Schnittstelle Lenksäule-Lenkrad, welche die Energieübertra gung berührungslos und robust erfüllt.

Bekannt ist aus der DE 41 20 650 A1 eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art mit einem Transformator, der aus einer fahrzeugseitig statio nären Primärspule und einer lenkradseitig drehfesten mit der Lenkwelle verbundenen Sekundärspule besteht. Zusätzlich wird zur Übertragung von Daten ein Kondensator benutzt, der aus fahrzeugseitig stationären, die Lenksäule umgebenden Leiterbahnen und lenkradseitig gegenüberste henden, die Lenkwelle umgebenden, drehfest mit dieser verbundenen Leiterbahnen aufgebaut ist. Die Datenübertragung erfolgt dabei unabhän gig von der Energieübertragung über den zusätzlich angeordneten Kon densator, wobei die Kondensatoranordnung zusätzlichen Bauraum erfor dert, der jedoch in diesem Bereich zwischen Lenksäule und Lenkrad nur in beschränktem Maße zur Verfügung steht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Übertra gung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenk radseite eines Kraftfahrzeuges vorzuschlagen, welche einfach im Aufbau ist, relativ geringen Bauraum erfordert und die Kombination mit einer Lenkwinkelsensorik und gegebenenfalls einer Datenübertragung ermög licht.

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der prinzipielle Aufbau solcher Vorrichtungen ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die mit den Angaben L1 und L2 bzw. L2' und L1' bezeichne ten Primärspulen, die orthogonal zueinander fahrzeugseitig befestigt sind, bilden die Statorwicklungen. Die mit der Lenkwelle drehfest gekoppelte Rotorwicklung bildet die Sekundärspule L3.

Zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik wird ein Verfah ren gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen. Legt man an die beiden Stator wicklungen L1 und L2 die Spannungen

u_L1 = U . sin(ωt) + R_P (ωt)

u_L2 = U . sin(ωt - π/2) + R_P(ωt - π/2)

so wird in der Rotorwicklung L3 die vom Verdrehwinkel θ abhängige Spannung

u_L3 = kU . sin(ωt - θ) + R_S(ωt - θ)

induziert, wobei k das Wicklungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärseite und θ den Drehwinkel des Lenkrades gegenüber der Lenkachse darstellen, dieser Drehwinkel durch Phasenvergleich zwischen einer Primärspannung und der Sekundärspannung er mittelbar ist und wobei R_P(ωt) R_S(ωt) Restterme darstellen, welche aus Harmonischen der Grundfrequenz zusammengesetzt sind und so ausgebildet sein müssen, daß sie gegenüber dem Basisterm vernachlässigbar sind.

Der Drehwinkel θ geht also direkt in die Phase der Sekundärspannung ein und kann somit durch einen einfachen Phasenvergleich zwischen einer Primär und der Sekundärspannung ermittelt werden. Dieser Phasenver gleich kann dabei vorteilhaft durch einen flankengetriggerten start/stop- Zähler realisiert werden, welcher mit einem n-fachen der Primärspan nungsfrequenz getaktet wird. Die Winkelauflösung des Verfahrens beträgt dann

Neben der Lenkwinkelsensorik wird die Anordnung auch zur induktiven Energieübertragung eingesetzt. Als besonders vorteilhaft erweist sich hierbei die Tatsache, daß der Drehwinkel θ lediglich in die Phase, nicht aber in den Scheitelwert der Sekundärspannung eingeht.

Es ist daher, unter der Voraussetzung, daß die Ableitung des Drehwinkels dθ/dt klein ist gegen die Kreisfrequenz ω der induzierten Spannung

u_L3 = kU . sin(ωt - θ) + R_S(ωt - θ)

ein konstanter Energiefluß unabhängig vom Drehwinkel θ möglich.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gesamtsy stemes Lenksäule-Lenkrad unter Verwendung der bekannten induktiven Energie übertragung und der zugehörigen Lenkwinkelsensorik, die durch eine ge eignete bidirektionale Datenübertragung Vorrichtung ergänzt werden kann. Mit E und S ist eine Drehtransformatoranordnung nach dem bereits genannten Stand der Technik bezeichnet.

Über das Verfahren nach Anspruch 4 mit einer Vorrichtung nach An spruch 1 ist eine überlagerte Datenübertragung auf induktivem Wege für verschiedene elektrische bzw. elektronische Einrichtungen im Bereich des Lenkrades bzw. der Lenksäule möglich. Für eine solche Datenübertra gung auf induktivem Wege über einen für die Energieübertragung vorge sehenen Drehtransformator mit einer Lenkwinkelsensorik ist es notwen dig, diese Sensorik in einem Zeitmultiplexbetrieb zu betreiben, da an dernfalls eine gegenseitige Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden kann. Der Zeitmultiplex wird dadurch ermöglicht, daß der Drehtransfor mator mit einer derartig hohen Frequenz angesteuert wird, daß neben der für die Lenkwinkelsensorik geforderten Anzahl von Messungen (ca. 100 Messungen/sek.) noch hinreichend Zeit für die Datenübertragung zur Verfügung steht. Die Daten werden dabei in geeigneter Weise der für die Energieübertragung und Lenkwinkelsensorik zur Verfügung stehenden Trägerfrequenz aufmoduliert. Hierzu eignen sich Codemodulationsverfah ren, welche ein gleichanteilfreies, spektral - aber nicht amplitudenmodu liertes Signal erzeugen.

Beispielsweise ist hierfür in besonderer Weise geeignet die Codierung der Daten im Biphase-Mark-Code genannt, welcher einer Pulsweitenmodula tion mit zwei diskreten Pulsweiten, also zwei spektralen Anteilen unab hängig von der zu codierenden Bitfolge entspricht. Hierbei werden aufein anderfolgende "Nullen" als im Grundtakt abwechselnde Folge von High- und Low-Werten gebildet, während bei einer "Eins" ein zusätzlicher Wechsel innerhalb einer Periode des Grundtaktes erfolgt. Hierdurch ent steht auch bei langen Null- oder Einsfolgen ein zur induktiven Übertra gung und Taktrückgewinnung besonders geeignetes alternierendes Si gnal. Schematisch ist in Fig. 4 eine solche Codierung angegeben.

Außerdem muß aus der Sicht der Datenübertragung lediglich jedes n-te- Datenwort aus einer Nullfolge bestehen, um eine zeitlich in den Datenfluß eingebettete Lenkwinkelsensorik zu ermöglichen. Beispielshaft wird eine solche Datenwortfolge in Fig. 5 angegeben.

Claims

1. Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Fahrzeugseite und der Lenkradseite eines Kraftfahrzeuges ge kennzeichnet durch mindestens zwei fahrzeugseitig in einer Ebene senkrecht zur Lenkachse zueinander orthogonal angeordnete, die Primärspulen bildende Statorwicklun gen (L1, L2) und eine mit der Lenkwelle drehfest gekoppelte, je doch nicht zur Lenkwelle rotationssymmetrische Rotorwicklung (L3) als Sekundärspule, an der zumindest eine weitere der induzierten Spannung aufgeprägte physikalische Größe abgreifbar ist.

2. Verfahren zur Betreibung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik an den Statorwicklungen (L1, L2) folgende Spannungen anzulegen sind:
u_L1= U . sin(ωt) + R_P (ωt)
u_L2 = U . sin(ωt - π/2) + R_P(ωt - π/2)
derart, daß in der Rotorwicklung (L3) eine Spannung
u_L3 = kU . sin(ωt - θ) + R_S(ωt - θ)
induziert wird, wobei k das Wicklungsverhältnis zwischen Primär und Sekundärseite und θ den Drehwinkel des Lenkrades gegen über der Lenkachse darstellen, dieser Drehwinkel durch Phasen vergleich zwischen einer Primärspannung und der Sekundärspan nung ermittelbar ist und wobei R_P(ωt) R_S(ωt) Restterme darstellen, welche aus Harmonischen der Grundfrequenz zusammengesetzt sind und so ausgebildet sein müssen, daß sie gegenüber dem Ba sisterm vernachlässigbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleich durch einen flankengetriggerten start/stop-Zähler erfolgt, welcher mit einem n-fachen der Primärspannungsfrequenz getaktet wird.

4. Verfahren zur Datenübertragung mit einer Vorrichtung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit den Verfahren zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkwinkelsensorik nach Anspruch 2 oder 3 die Spulen im Zeitmultiplexbetrieb mit ho her Frequenz angesteuert werden, wobei die zu übertragenden Daten der Trägerfrequenz aufmoduliert werden.