DE102009045676A1

DE102009045676A1 - Verfahren und Vorrichtung zur induktiven Bestimmung der absoluten Position eines an einem Impulsgeber angeordneten Impulsgeberelements

Info

Publication number: DE102009045676A1
Application number: DE200910045676
Authority: DE
Inventors: Roland Wolf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Verfahren und Vorrichtung (1) zur induktiven Bestimmung der absoluten Position eines an einem Impulsgeber (2) angeordneten Impulsgeberelements (5), wobei ein erstes (9) und ein zweites (10), 11) sinusförmiges Positionssignal von einer Sensoranordnung (3), welche benachbart zu dem Impulsgeberelement (5) angeordnet ist, in Abhängigkeit einer Relativbewegung des Impulsgeberelements (5) erzeugt wird, wobei die Sensoranordnung (3) an einer ersten Position (7a) induktiv ein erstes Positionssignal (9) erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements (5) korrespondiert, und an einer zweiten (8a), zur ersten Position (7a) in Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements (5) versetzten Position, induktiv gleichzeitig ein zweites Positionssignal (10, 11) erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements korrespondiert, wobei die erste Position (7a) relativ zur zweiten Position (8a) so angeordnet ist, dass das erste Positionssignal (9) relativ zum zweiten Positionssignal (10, 11) um 90° phasenversetzt ist, so dass das erste Positionssignal (9) bezogen auf eine gemeinsame Periodendauer T ein sinusförmiges Signal (9) und das zweite Positionssignal (10, 11) ein cosinusförmiges Signal (11) ist, wobei, basierend auf dem ersten, sinusförmigen Positionssignal (9) und dem zweiten, cosinusförmigen Positionssignal (11), mittels einer Arcustangens-Beziehung eine Winkelposition des Impulsgeberelements (5) ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Bestimmung der absoluten Position eines an einem Impulsgeber angeordneten Impulsgeberelements gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verschiedene Systeme zur Bestimmung der absoluten Position eines Impulsgeberelements sind bekannt, z. B. magnetische oder optische Messsysteme. Derartige Systeme werden zum Beispiel zur Bestimmung von Achs- bzw. Wellendrehstellungen in der Automobilbranche eingesetzt. Im Stand der Technik sind ferner Induktionsgeber zur Drehzahlmessung, z. B. als ABS-Drehzahlsensoren bekannt. Dabei dreht sich ein Inkrementrad, welches in Sensornähe positioniert ist und welches durch Änderung der Magnetfeldstärke eine Wechselspannung induziert. Bei gleichmäßiger Zahnstruktur des Inkrementrades entspricht der induzierte Spannungsverlauf einer Sinuskurve.
Die EP 2017627 A2 zeigt einen Drehzahlsensor, bei der eine Auswerteschaltung jeden individuellen Zahn lokalisieren kann, um daraus die grobe Winkelposition zu erkennen. Eine absolute Position ist nicht ermittelbar.
Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur einfachen Ermittlung bzw. Signalisierung einer absoluten Position innerhalb eines Zahns bzw. eines Impulsgeberelements eines Inkrementrades bzw. Impulsgebers bereitzustellen, wobei die absolute Position induktiv ermittelt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie bezüglich der Vorrichtung durch Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur induktiven Bestimmung der absoluten Position eines an einem Impulsgeber angeordneten Impulsgeberelements vorgeschlagen, wobei ein erstes und ein zweites sinusförmiges Positionssignal von einer Sensoranordnung, weiche benachbart zu dem Impulsgeberelement angeordnet ist, in Abhängigkeit einer Relativbewegung des Impulsgeberelements erzeugt wird, wobei die Sensoranordnung an einer ersten Position induktiv ein erstes Positionssignal erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements korrespondiert, und an einer zweiten, zur ersten Position in Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements versetzten Position, induktiv gleichzeitig ein zweites Positionssignal erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements korrespondiert, wobei die erste Position relativ zur zweiten Position so angeordnet ist, dass das erste Positionssignal relativ zum zweiten Positionssignal um 90 Grad phasenversetzt ist, so dass das erste Positionssignal bezogen auf eine gemeinsame Periodendauer T ein sinusförmiges Signal und das zweite Positionssignal ein cosinusförmiges Signal ist, wobei, basierend auf dem ersten, sinusförmigen Positionssignal und dem zweiten, cosinusförmigen Positionssignal, mittels einer Arcustangens-Beziehung eine Winkelposition des Impulsgeberelements ermittelt wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden das erste und das zweite Positionssignal je von einem ersten und zweiten Sensor der Sensoranordnung geliefert, welche zueinander in einer Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Sensoranordnung eine Spule, insbesondere eine Planarspule, auf. Eine Planarspule ist zum Beispiel in einem Sensorchip bei vorteilhafter Baugröße untergebracht.
Des Weiteren rotiert das Impulsgeberelement bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform um eine Rotationsachse. Dabei ist insbesondere eine Drehstellung des Impulsgeberelements zu ermitteln, z. B. eines auf einer Welle angeordneten Impulsgeberelements.
Es ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aufgrund der tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements ein korrespondierender Inkrementwert ermittelt und zugeordnet wird.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ermittlung und Zuordnung eines Inkrementwertes zu einer tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements mittels einer Zuordnungstabelle erfolgt.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in der Zuordnungstabelle für einen Winkelbereich, insbesondere von 45 Grad, Inkrementwerte hinterlegt. Da die Werte für die Arcustangens-Funktion innerhalb einer Periode von 2π betragsmäßig wiederkehren, kann mit einem umfangsmäßig geringen Wertevorrat gearbeitet werden.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein pulsweitenmoduliertes Signal basierend auf der ermittelten Winkelposition signalisiert, dessen Tastgrad mit der ermittelten Winkelposition korrespondiert.
Des Weiteren wird bei noch einer erfindungsgemäßen Ausführungsform das pulsweitenmodulierte Signal basierend auf einem mit der tatsächlichen Winkelposition korrespondierenden Inkrementwert signalisiert, wobei der Tastgrad des PWM-Signals mit dem Inkrementwert korrespondiert, insbesondere direkt proportional dazu ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, welche eine Sensoranordnung zur induktiven Erzeugung eines ersten, mit einer Position eines an einem Impulsgeber angeordneten Impulsgeberelements korrespondierenden sinusförmigen Positionssignals an einer ersten Position, sowie eines zweiten, mit einer Position des an dem Impulsgeber angeordneten Impulsgeberelements korrespondierenden sinusförmigen Positionssignals an einer zweiten, in Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements versetzten Position, sowie eine Auswertevorrichtung zur Ermittlung einer Winkelposition mittels einer Arcustangens-Beziehung basierend auf dem ersten und zweiten von der Sensorvorrichtung erzeugten Positionssignal aufweist.
Gemäß einer erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung zur Zuordnung eines Inkrementwerts korrespondierend zu der tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements, insbesondere mit einer Speichereinheit mit einer Zuordnungstabelle, ausgebildet.
Weiterhin weist die Vorrichtung bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Signalisiervorrichtung auf, welche basierend auf der ermittelten Winkelposition ein PWM-Signal erzeugt und/oder signalisiert, wobei der Tastgrad des PWM-Signals mit der Winkelposition korrespondiert. Die Signalisiervorrichtung enthält zu diesem Zweck zum Beispiel einen Signalprozessor und/oder eine Signalverarbeitungsvorrichtung.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform erzeugt und/oder signalisiert die Signalisiervorrichtung das PWM-Signal basierend auf einem mit der tatsächlichen Winkelposition korrespondierenden Inkrementwert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 exemplarisch eine Teilungsstruktur eines um eine Achse A rotierenden Impulsgebers zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
3 exemplarisch mit einem Inkrementwert korrespondierende zu signalisierende PWM-Signale gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 1 enthält einen Impulsgeber 2 in Form eines z. B. linear in Pfeilrichtung verschieb- bzw. bewegbaren Elements oder z. B. eines im Stand der Technik bekannten Impulsrades (2), welches z. B. um eine Rotationsachse A rotiert. Eine Außenseite 2a des Impulsgebers 2, welche in der Vorrichtung 1 einer Sensoranordnung 3 vorzugsweise berührungslos gegenüberliegt, weist eine Teilungsstruktur 4, in Form von Impulsgeberelementen 5 auf, z. B. eine Zahnstruktur 6 oder eine Rippenstruktur, welche in Form von Zahnelementen 6a, 6b bzw. Zahnlücken 6c, 6d realisiert ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Impulsgeberelement 5 zum Beispiel jeweils als Zahn 6a bzw. 6b mit nachfolgender Lücke 6c bzw. 6d realisiert. Eine Position des Impulsgeberelements 5 soll jeweils als absoluter Positionswert signalisiert werden, z. B. als Winkelangabe oder Längenangabe oder z. B. als Inkrementwert.
Ein Impulsgeberelement 5 wird an der z. B. gegenüberliegend bzw. benachbart angeordneten Sensoranordnung 3, z. B. berührungslos, vorbeibewegt, z. B. in Pfeilrichtung der 1, wobei die Sensoranordnung 3 z. B. einen ersten 7 und einen zweiten 8 induktiven Sensor bzw. induktiv aufnehmenden Messfühler aufweist, welche jeweils voneinander unabhängig ein Ausgangssignal liefern können.
Die Sensoren 7, 8 sind beispielsweise jeweils Sensorspulen, z. B. im Stand der Technik bekannte Planarspulen, die z. B. in einem Erregerfeld angeordnet sind, z. B. einem möglichst homogenen Erregerfeld. Das Erregerfeld wird z. B. von einer Erregerspule (nicht dargestellt) erzeugt. Das Erregerfeld, dem ein Sensor 7, 8 ausgesetzt ist, wird durch das sich an den Sensoren 7, 8 vorbei bewegende Impulsgeberelement 5 beeinflusst, zum Beispiel durch zunehmende Überdeckung eines Sensors 7, 8 durch das sich bewegende Impulsgeberelement 5. Je nach Überdeckung wird eine Spannung im jeweiligen Sensor 7, 8 induziert, deren Verlauf sinusförmig ist und die vorliegend zur Positionsbestimmung genutzt wird. Bei dieser Anordnung ist z. B. das Impulsgeberelement 5 für Wirbelströme empfänglich.
Als Sensoren 7, 8 können z. B. auch (Induktions-)Spulen mit Eisenkern verwendet werden, wobei an deren Ende z. B. je ein Dauermagnet sitzt. Mittels des Eisenkerns wird in der (Induktions-)Spulenwicklung ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldstärke sich mit der Bewegung des Impulsgeberelements 5 des Impulsgebers 2 relativ dazu ändert. Bei einer gleichmäßigen Zahnstruktur 6 bzw. am Impulsgeber 2 regelmäßig angeordneten Impulsgeberelementen 5 wird z. B. eine sinusförmige Wechselspannung im jeweiligen Sensor 7, 8 induziert. Bei einer derartigen Anordnung ist keine Erregerspule erforderlich, das Impulsgeberelement 5 ist hierbei zum Beispiel ein dauermagnetisierter Zahn 6a bzw. 6b mit jeweils benachbarter Lücke 6c bzw. 6d.
Erfindungsgemäß wird bei einer Bewegung eines Impulsgeberelements 5, weiches vorliegend je einen Zahn 6a bzw. 6b und je eine Lücke 6c bzw. 6d aufweist, relativ zu der Sensoranordnung 3 bzw. je einem Sensor 7, 8 jeweils in diesen ein abgreifbares Messsignal bzw. ein Positionssignal induziert, also z. B. ein Spannungssignal, welches in Abhängigkeit der Relativposition von Sensor 7, 8 und Impulsgeberelement 5 variiert. Bei gleichmäßiger Zahnstruktur, also z. B. gleicher Länge von Zahn 6a, 6b und Lücke 6c, 6d (bzw. gleicher zeitlicher Dauer des Vorbeibewegens je von Zahn 6a, 6b und Lücke 6c, 6d am Sensor 7, 8) wird infolge der Relativbewegung zwischen Sensor 7, 8 und Impulsgeberelement 5 jeweils im Sensor 7, 8 eine Wechselspannung induziert, deren Verlauf im Wesentlichen und vorzugsweise sinusförmig ist.
In der Vorrichtung 1 sind die Sensoren 7, 8 zueinander derart in Bewegungsrichtung (Pfeil in 1, 2) versetzt angeordnet, dass in dem ersten Sensor 7 an einer ersten Position 7a ein z. B. sinusförmiges Spannungssignal bzw. Positionssignal 9 infolge der Bewegung des Impulsgeberelements 5 vorbei an dem Sensor 7 bzw. relativ dazu erzeugt wird. Gleichzeitig wird in dem zweiten Sensor 8 an einer zweiten, zur ersten Position in Bewegungsrichtung versetzten Position 8a, z. B. ein wiederum sinusförmiges Spannungssignal bzw. Positionssignal 10 infolge einer Bewegung des Impulsgeberelements 5 relativ dazu erzeugt.
Das erste 9 und das zweite 10 sinusförmige Positionssignal weisen aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung von erster und zweiter (Mess-)Position 7a, 8a einen Versatz von 90 Grad innerhalb eines Zeitfensters, insbesondere einer gemeinsamen Periodendauer T auf, so dass das zweite Signal innerhalb der gemeinsamen Periodendauer T ein cosinusförmiges Signal 11, also ein zeitlich verschobenes sinusförmiges Signal, ist. Zu Beginn einer Periodendauer T, also einer Positionsbestimmung mittels der Sensoren 7, 8, weist das sinusförmige Positionssignal 9 z. B. einen Nulldurchgang auf, während das cosinusförmige Signal 11 seinen Maximalwert durchläuft. Die Sensoren 7, 8 sind dabei erfindungsgemäß zur Phasenverschiebung der Positionssignale 9, 11, z. B. in Bewegungsrichtung, entsprechend zueinander versetzt.
Der erforderliche Versatz in Bewegungsrichtung zwischen erster 7a und zweiter 8a Position kann z. B. ermittelt werden, indem die bekannte Länge L eines Impulsgeberelements 5 durch 360 Grad dividiert und mit 90 Grad multipliziert wird. Mit dem z. B. derart ermittelten Abstand bzw. Versatz können die Sensoren 7, 8 zueinander in Bewegungsrichtung angeordnet werden. Die gemeinsame Periodendauer T bezeichnet vorliegend z. B. die Zeit, für die ein Impulsgeberelement 5 im Messbereich des ersten Sensors 7 eine vollständige Sinuskurve im Intervall von Null Grad bis 360 Grad (entsprechend 2π) erzeugt.
Die im Sensor 7, 8 jeweils induzierten Positionssignale 9, 10 werden an einem Ausgang der Sensoranordnung 3 z. B. zur Auswertung signalisiert. Eine Auswertevorrichtung 12, welche der Sensoranordnung 3 z. B. nachgeordnet ist, ermittelt z. B. anhand der ersten 9 und zweiten 10 Positionssignale eine tatsächliche Winkelposition innerhalb des Impulsgeberelements 5, z. B. werden die Signalverläufe des sinusförmigen und des cosinusförmigen Positionssignals innerhalb der gemeinsamen Periodendauer T z. B. zu einem (Mess-)Zeitpunkt t ausgewertet. Die Auswertevorrichtung kann dazu computerisiert sein oder z. B. geeignete Signalverarbeitungskomponenten aufweisen.
Beginnend zum Beispiel zum Zeitpunkt t = 0 ergeben sich innerhalb einer Periodendauer T jeweils eindeutig einer diskreten Position des Impulsgeberelements 5 zuordenbare Wertepaare, wobei zu einem Messzeitpunkt t ein Wert jeweils dem sinusförmigen Positionssignal 9 und der zweite Wert dem cosinusförmigen Positionssignal 11 entnehmbar ist. Um eine absolute (Winkel-)Position aus einem derart gewonnenen Wertepaar zu ermitteln, wird z. B. der erste Wert mit dem zweiten Wert mittels einer Arcustangens-Funktion (i. e. arctan) in Beziehung gesetzt. Daraus ergibt sich ein Winkel φ = arctan (sinφ/cosφ) bzw. eine Winkelposition des Impulsgeberelements 5 für den Messzeitpunkt t innerhalb der Periodendauer T im Intervall von 0 bis 360 Grad, entsprechend 2π.
Diese Winkelposition entspricht einer Länge L des Impulsgeberelements 5, welche bereits an der z. B. ersten Position 7a erfasst wurde. Um die absolute Position als Längenangabe zu signalisieren, kann der mittels Arcustangens ermittelte Winkel zum Messzeitpunkt t durch 360 Grad (entsprechend 2π) dividiert und mit der Länge L des Impulsgeberelements 5 multipliziert werden.
Um eine für die Messaufgabe ausreichend hohe Auflösung von Winkelpositionen bei geringem Aufwand zu realisieren, werden erfindungsgemäß Inkremente verwendet. Inkremente repräsentieren im Allgemeinen bei einer konstanten Schrittweite jeweils ein Intervall der repräsentierten Größe. Vorliegend stellen die Inkremente z. B. jeweils ein Ergebnis der Arcustangensfunktion dar (Winkel) und repräsentieren jeweils einen Winkelbereich kontinuierlich aufeinander folgender Winkelpositionen des sich bewegenden Impulsgeberelements. Ein Inkrement repräsentiert beispielsweise einen Winkel bzw. ein Intervall von einem Grad, drei Inkremente z. B. einen Winkel von drei Grad, etc. Zwischenwerte, welche in einem solchen, von einem Inkrement umfassten Intervall liegen, sind ausgeblendet.
Die Ermittlung und Zuordnung eines mit der tatsächlichen Position des Impulsgeberelements 5 korrespondierenden Inkrements, also des mittels des Arcustangens ermittelten Winkels zu einem Winkelbereich, erfolgt z. B. mittels einer Zuordnungstabelle, welche zum Beispiel dem Winkelbereich von Null Grad bis 360 Grad 8192 Inkremente, also Ergebnisse für die Arctan-Funktion, zuordnet. Einem Inkrement entspricht somit z. B. ein Winkelbereich von 0,0439453125 Grad. Tatsächliche Winkelpositionen des Impulsgeberelements 5 von Null Grad bis 0,0439453125 Grad werden also von einem einzigen Inkrement mit dieser Intervalllänge repräsentiert. Dem Inkrementwert zwei werden z. B. tatsächliche Winkelpositionen des Impulsgeberelements zugeordnet, die im Intervall größer 0,0439453125 Grad und kleiner gleich 0,087890625 liegen, die Intervalllänge beträgt wiederum 0,0439453125 Grad.
Im vorliegenden Beispiel weist ein Impulsgeberelement 5 z. B. die Länge von 12,5 mm auf. Bei einer Unterteilung in 8192 Inkremente (Ergebnisse für die Arcustangens-Funktion) kann also die Länge von 12,5 mm in Schritte von 1,5 um aufgelöst werden, entsprechend jeweils einem Winkelbereich von 0,0439453125 Grad. Mit der gewählten Genauigkeit bzw. Längenauflösung von 1,5 μm kann die absolute Position innerhalb des Impulsgeberelements 5 nunmehr angegeben werden.
Eine Zuordnungstabelle zur Ermittlung und Zuordnung mit der tatsächlichen Winkelposition korrespondierender Inkrementwerte ist z. B. in einem Speicherelement 15 hinterlegt. Basierend auf sinusförmigem 9 und cosinusförmigem 11 Signal zum Zeitpunkt t, insbesondere basierend auf deren Beträgen und Vorzeichen, welche innerhalb einer Periode eine Aussage über die Position ermöglichen, kann mit der Zuordnungstabelle jener Inkrementwert bzw. jener Winkel zugeordnet werden, in dessen Intervall die Beträge und Vorzeichen von sinusförmigem und cosinusförmigem Signal liegen. Dazu sind z. B. in der Zuordnungstabelle Inkremente für korrespondierende Beträge und Vorzeichen für das sinusförmige 9 und das cosinusförmige 11 Signal hinterlegt. Somit braucht keine Berechnung des Arcustangens erfolgen, Ergebnisse auf der Grundlage von sinusförmigem und cosinusförmigem Signal sind bereits vorab als Inkrementwert ermittelt worden und stehen in der Zuordnungstabelle zur Verfügung.
Zur Vereinfachung können in der Zuordnungstabelle Werte des Arcustangens als Inkremente für einen Bereich von z. B. Null bis 45 Grad hinterlegt sein. Zur Bestimmung des Inkrementwerts für ein jeweiliges Achtel innerhalb Null Grad bis 360 Grad der Periode (also für jeweils 45 Grad), in welchem sich das sinusförmige 9 und das cosinusförmige 11 Positionssignal befinden, werden z. B. die Vorzeichen und Beträge der Positionssignale 9, 11 jeweils verwendet bzw. ausgewertet. Da der Arcustangens betragsmäßig wiederkehrende Werte innerhalb einer Periodendauer T aufweist, kann ein Inkrementwert für den Zeitpunkt t basierend auf den hinterlegten Werten für den Ausschnitt von z. B. 45 Grad, Betrag und Vorzeichen der sinusförmigen und cosinusförmigen Signale 9, 11 unter Verwendung einfacher mathematischer Methoden ermittelt und somit die Winkelposition signalisiert werden.
Erfindungsgemäß wird basierend auf dem ermittelten Winkel bzw. der Winkelposition ein pulsweitenmoduliertes Signal 13 (PWM-Signal) generiert, welches eine absolute Position des Impulsgeberelements 5 signalisiert. Das pulsweitenmodulierte Signal 13 weist eine konstante Periodendauer T1 auf, innerhalb welcher der jeweilige Signalanteil 14, welcher die Winkel- bzw. Positionsinformation liefert, korrespondierend mit der Winkelinformation variiert. Das Verhältnis von Signalanteil 14, i. e. Einschaltzeit bzw. High-Pegel, zur Periodendauer T1 wird vorliegend als Tastgrad bezeichnet und in der Regel als Prozentwert angegeben.
Innerhalb einer Periodendauer T1 des PWM-Signals 13 wird z. B. jeweils genau eine von der Sensoranordnung 3 detektierte Position ausgegeben. Dazu wird der Tastgrad des PWM-Signals 13 so eingestellt, dass er mit der Winkelposition korrespondiert, z. B. bei großem Winkel einen großen Wert annimmt (lange Einschaltzeit), und z. B. bei kleinem Winkel einen geringen Wert annimmt (kurze Einschaltzeit). Ein Signalprozessor 16 kann z. B. ein entsprechendes PWM-Signal erzeugen.
Innerhalb einer Periodendauer T1 bewegt sich das Impulsgeberelement 5 in der Regel durch einen Winkelbereich bzw. einen Bereich verschiedener Positionen, so dass innerhalb einer Periodendauer T1 verschiedene Winkelpositionen als z. B. Winkelinformation signalisiert werden könnten. Um eine somit mögliche zeitliche Unschärfe bei der Ausgabe zu vermeiden, wird erfindungsgemäß z. B. jeweils ein Inkrementwert, also z. B. ein Ergebnis der Arcustangens-Beziehung, einem korrespondierenden PWM-Signal 13 zugrunde gelegt, z. B. je einem betragsmäßig gleichen Winkelbereich vom Impulsgeberelement 5 durchlaufener tatsächlicher Winkelpositionen zugeordnet.
Um alle innerhalb einer Periodendauer T möglichen Winkelstellungen des Impulsgeberelements 5 als pulsweitenmoduliertes Signal 13 mit korrespondierender Winkelinformation ausgeben zu können, müsste die Periodendauer T1 des PWM-Signals 13 gegen Null streben, bzw. die Signalfrequenz des PWM-Signals 13 gegen unendlich streben. In der Regel beträgt die Periodendauer T1 des PWM-Signals 13 jedoch ungleich Null und ist z. B. insbesondere der Messaufgabe angepasst. Ist zum Beispiel die genaue Winkelposition des Impulsgeberelements 5 mit einer hohen zeitlichen und somit wertmäßigen Auflösung zu signalisieren, ist eine kurze Periodendauer T1 anzustreben, bei niedrigerer Auflösung kann eine längere Periodendauer T1 gewählt werden.
Vorzugsweise wird eine Anzahl von Inkrementen zur Abbildung des Messbereichs möglicher Winkelpositionen von Null bis 360 Grad so gewählt, dass sie mit der Frequenz des PWM-Signals korrespondiert, derart, dass z. B. innerhalb einer Periodendauer T1 genau ein Inkrementwert ausgegeben werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, bei abnehmender Periodendauer T, zum Beispiel in Folge schnellerer Bewegung des Impulsgeberelements 5, nur noch jeden zweiten oder jeden dritten mit einer Bewegung des Impulsgeberelements 5 korrespondierenden Inkrementwert innerhalb einer Periodendauer T1 auszugeben, insbesondere falls die Frequenz des PWM-Signals 13 konstant bleibt. Denkbar ist auch, generell nur einzelne Werte von Inkrementen aus einem Bereich von Inkrementen auszugeben.
Beispielsweise kann bei der Unterteilung des Bereichs von Null Grad bis 360 Grad in 8192 Inkremente, bei welcher einem Inkrement ein Winkelbereich von 0,0439453125 Grad entspricht, für jeden oder zum Beispiel jeden zweiten, jeden dritten etc. der 8192 Inkrementwerte ein PWM-Signal 13 mit einem korrespondierenden Tastgrad ausgegeben werden. Für einen Inkrementwert Null wird ein Tastgrad von z. B. Null Prozent ausgegeben, i. e. ohne Signalanteil 14. Für eine Winkelposition von 180 Grad bis 180,0439453125 Grad wird zum Beispiel ein PWM-Signal mit einem zweiten korrespondierenden Tastgrad von z. B. 50% ausgegeben, i. e. 50% Signalanteil bzw. Einschaltzeit.
Für auf der Basis der tatsächlichen Position des Impulsgeberelements 5 ermittelte Ergebnisse der Arcustangens-Funktion kann jeweils ein Inkrementwert in der Zuordnungstabelle hinterlegt bzw. zuordenbar sein, welcher mit einem zu signalisierenden Tastgrad korrespondiert, und zum Beispiel von einem Signalprozessor 16 zur Ausgabe während einer jeweiligen Periodendauer T1 abgefragt wird. Der Signalprozessor 16 erzeugt aufgrund des abgefragten Wertes ein Signal mit einem korrespondierenden Tastgrad und signalisiert dieses beispielsweise an eine nachgeordnete Steuerung.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Impulsgeber
2a: Außenseite Impulsgeber
3: Sensoranordnung
4: Teilungsstruktur
5: Impulsgeberelement
6: Zahnstruktur
6a, 6b: Zahnelement
6c, 6d: Zahnlücke
7: erster induktiver Sensor
7a,: erste Position
8: zweiter induktiver Sensor
8a: zweite Position
9: erstes sinusförmiges Positionssignal
10: zweites sinusförmiges Positionssignal
11: cosinusförmiges Signal
12: Auswertevorrichtung
13: pulsweitenmoduliertes Signal
14: Signalanteil
15: Speicherelement
16: Signalprozessor
t: Messzeitpunkt
T: Periodendauer sinusförmiges Signal
T1: Periodendauer PWM-Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2017627 A2 [0003]

Claims

Verfahren zur induktiven Bestimmung der absoluten Position eines an einem Impulsgeber (2) angeordneten Impulsgeberelements (5), wobei ein erstes (9) und ein zweites (10, 11) sinusförmiges Positionssignal von einer Sensoranordnung (3), welche benachbart zu dem Impulsgeberelement (5) angeordnet ist, in Abhängigkeit einer Relativbewegung des Impulsgeberelements (5) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (3) an einer ersten Position (7a) induktiv ein erstes Positionssignal (9) erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements (5) korrespondiert, und an einer zweiten (8a), zur ersten Position (7a) in Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements (5) versetzten Position, induktiv gleichzeitig ein zweites Positionssignal (10, 11) erzeugt, welches mit einer Position des Impulsgeberelements (5) korrespondiert, wobei die erste Position (7a) relativ zur zweiten Position (8a) so angeordnet ist, dass das erste Positionssignal (9) relativ zum zweiten Positionssignal (10, 11) um 90 Grad phasenversetzt ist, so dass das erste Positionssignal (9) bezogen auf eine gemeinsame Periodendauer T ein sinusförmiges Signal (9) und das zweite Positionssignal (10, 11) ein cosinusförmiges Signal (11) ist, wobei, basierend auf dem ersten, sinusförmigen Positionssignal (9) und dem zweiten, cosinusförmigen Positionssignal (11), mittels einer Arcustangens-Beziehung eine Winkelposition des Impulsgeberelements (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (9) und das zweite (10, 11) Positionssignal je von einem ersten (7) und zweiten (8) Sensor der Sensoranordnung (3) geliefert werden, welche zueinander in einer Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements (5) versetzt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoranordnung (3) eine Spule, insbesondere eine Planarspule, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsgeberelement (5) um eine Rotationsachse A rotiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements (5) ein korrespondierender Inkrementwert ermittelt und zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung und Zuordnung eines Inkrementwertes zu einer tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements (5) mittels einer Zuordnungstabelle erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuordnungstabelle für einen Winkelbereich von 45 Grad Inkrementwerte hinterlegt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulsweitenmoduliertes Signal (13) basierend auf der ermittelten Winkelposition signalisiert wird, dessen Tastgrad mit der ermittelten Winkelposition korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsweitenmodulierte Signal (13) basierend auf einem mit der tatsächlichen Winkelposition korrespondierenden Inkrementwert signalisiert wird, wobei der Tastgrad des PWM-Signals (13) mit dem Inkrementwert korrespondiert, insbesondere direkt proportional dazu ist.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Sensoranordnung (3) zur induktiven Erzeugung eines ersten, mit einer Position eines an einem Impulsgeber (2) angeordneten Impulsgeberelements (5) korrespondierenden sinusförmigen Positionssignals (9) an einer ersten Position (7a), sowie eines zweiten, mit einer Position des an dem Impulsgeber (2) angeordneten Impulsgeberelements (5) korrespondierenden sinusförmigen Positionssignals (10, 11) an einer zweiten, in Bewegungsrichtung des Impulsgeberelements versetzten Position (8a), sowie eine Auswertevorrichtung (12) zur Ermittlung einer Winkelposition mittels einer Arcustangens-Beziehung basierend auf dem ersten (9) und zweiten (10, 11) von der Sensorvorrichtung (3) erzeugten Positionssignal.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (12) zur Zuordnung eines Inkrementwerts korrespondierend zu der tatsächlichen Winkelposition des Impulsgeberelements (5), insbesondere mit einer Speichereinheit (15) mit einer Zuordnungstabelle, ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Signalisiervorrichtung (16), welche basierend auf der ermittelten Winkelposition ein PWM-Signal (13) erzeugt und/oder signalisiert, wobei der Tastgrad des PWM-Signals (13) mit der Winkelposition korrespondiert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisiervorrichtung (16) das PWM-Signal (13) basierend auf einem der ermittelten Winkelposition zugeordnetem Inkrementwert erzeugt und/oder signalisiert.