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Stand der Technik
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Drehwinkelmessungen müssen in vielen Bereichen der Technik durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von Magnetfeldsensoren geschehen, die eine Lage eines Dauermagneten erfassen. Der Permanentmagnet kann dabei am rotierenden Element drehfest befestigt sein und eine berührungslose Drehwinkeldetektion ermöglichen. Beispielsweise sind berührungslose Drehwinkelsensoren aus
DE 10 2007 016 133 A1 bekannt.
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Drehwinkelsensoren können im Bereich von Kraftfahrzeugen an Motoranbauteilen wie zum Beispiel an Drosselklappenstellern, an Fahrpedalen und/oder an Universalaktuatoren vorgesehen sein.
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Eine berührungslose Drehwinkelmessung kann dabei zum Beispiel auf einem induktiven, einem Wirbelstrom basierten oder einem Halleffekt basierten Messprinzip beruhen. Dabei können die Drehwinkelsensoren eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl. application specific integrated circuit, ASIC) aufweisen. Die Funktionalität des Drehwinkelsensors ist vorwiegend fest in der Halbleiterstruktur der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung abgebildet. Eine Anpassung bzw. Abänderung der Funktionalität bzw. einzelner Funktionsparameter ist bei bereits hergestellten Drehwinkelsensoren ist in den meisten Fällen unmöglich oder auf eine sehr geringe Anzahl von Änderungen über Lebensdauer beschränkt.
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Bei einer Änderung bzw. einem Redesign der Funktionalität des Drehwinkelsensors im Vorfeld der Herstellung ist eine Anpassungen der Halbleitermaskenstruktur mit langen Entwicklungs- und Produktionszeiträumen notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Messvorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels und einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung einer Messvorrichtung bestehen, die es insbesondere ermöglichen, die Funktionalität der Messvorrichtung flexibel an unterschiedliche Gegebenheiten, wie zum Beispiel Kundenwünsche, anzupassen.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels vorgestellt. Die Messvorrichtung weist einen Magneten und eine Mikroprozessoreinheit mit einem magnetempfindlichen Element auf. Der Magnet ist an einem ersten Bauelement angeordnet und mit diesem drehfest verbunden. Die Mikroprozessoreinheit ist an einem zweiten Bauelement angeordnet und mit diesem drehfest verbunden. Das erste Bauelement und das zweite Bauelement sind um eine gemeinsame Drehachse gegeneinander drehbar gelagert. Das magnetempfindliche Element ist ausgeführt, in Abhängigkeit eines Magnetfelds des Magneten ein Messsignal zu erzeugen, welches repräsentativ für einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement ist. Die Mikroprozessoreinheit weist eine Speichereinheit auf, die mit einem Quellcode programmierbar ist.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, die Mikroprozessoreinheit der Messvorrichtung Software-programmierbar auszuführen, um eine schnelle Anpassung der Sensorfunktionssoftware ohne hardwareseitige Maßnahmen zu ermöglichen. Im Gegensatz zu bisher bekannten Hardware-gebundenen Programmierungen, ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine erhebliche Verringerung von Entwicklungs- und Implementierungszeiten von Redesigns bzw. von Änderungen der Funktionalität der Messvorrichtung. Im Vergleich zu bekannten Messvorrichtungen, bei denen die Entwicklungszeiten mehrere Monate betragen können, können bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wenige Wochen ausreichend sein. Neuproduktionen von Messvorrichtungen, um eine neue Funktionalität zu implementieren können sogar ganz vermieden werden. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine schnelle und unkomplizierte Umsetzung von Funktionalitätsänderungen oder Funktionalitätserweiterungen.
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Im Gegensatz zu bisherigen Messvorrichtungen mit maskenprogrammierten Mikrocontrollern, das heißt, bei denen die Funktionalität fest in der Halbleiterstruktur der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung abgebildet ist, sind bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung Funktionalitätsanpassungen ohne Hardwareanpassungen möglich.
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Insbesondere kann die nahezu unabhängig von der Hardware programmierbare Messvorrichtung eine freie Programmierung der Kennlinie des Messsignals, eine freie Definition eines Fehlerfalls, eine beliebig wählbare Filterung des Messsignals, eine beliebig wählbare Versorgungsspannung, beliebige Messsignal-Ausgangsformate und eine variable und wiederholte Anpassung bzw. Abänderung der Funktionalität der bereits verbauten Messvorrichtung ermöglichen.
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Die Messvorrichtung kann als Drehwinkelsensor ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Messvorrichtung in der Fahrzeugtechnologie zum Einsatz kommen. Insbesondere, kann die Messvorrichtung in Hybridfahrzeugen und in Elektrofahrzeugen vorteilhaft genutzt werden. Die Messvorrichtung kann dabei mit einem induktiven, einem Wirbelstrom basierten oder einem Halleffekt basierten Wirkprinzip realisiert sein.
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Beispielsweise kann die Messvorrichtung zur Winkelbestimmung in elektrischen Drosselvorrichtungen und elektrischen Regelklappen, insbesondere in Drosselklappen eingesetzt werden. Ferner kann die Messvorrichtung zur Ermittlung einer Winkelposition eines Stellelements (GPA, general purpose actuator) für Ventile verwendet werden. Des Weiteren kann die Messvorrichtung in Fahrpedalmodulen (APM, accelerator pedal module) oder in Pedalwert-Gebern (PWG) zum Einsatz kommen. Zusätzlich kann die Messvorrichtung an Universalaktuatoren eingesetzt werden.
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Ferner kann die Messvorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate eines Elektromotors, zur Ermittlung einer Drehfrequenz eines Rades in ABS-Anwendungen oder zur Messung eines Drehmomentes einer Torsionsstange in einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Das erste Bauelement kann ein rotierendes Bauelement wie zum Beispiel ein Rotor sein. Am ersten Bauelement ist mindestens ein Magnet angeordnet. Der Magnet ist dabei drehfest mit dem ersten Bauelement verbunden. Dabei kann der Magnet als Permanentmagnet ausgeführt sein. Ferner kann der Magnet beispielsweise teilweise kunststoffumspritzt sein.
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Das zweite Bauelement kann zum Beispiel ein ortsfestes Bauelement wie zum Beispiel ein Stator sein. Das magnetempfindliche Element ist drehfest mit dem zweiten Bauelement verbunden. Dabei kann das magnetempfindliche Element zum Beispiel eine Spule, ein Magnettransistor, ein Hallsensor oder ein magnetresistiver Sensor sein. Beispielsweise kann das magnetempfindliche Element in Abhängigkeit des Magnetfelds des Magneten insbesondere in Abhängigkeit von der Richtung und Intensität des Magnetfelds ein Signal ausgeben, welches repräsentativ für einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement ist.
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Ist das magnetempfindliche Element beispielsweise als Hallelement ausgeführt, so kann es stromdurchflossene Halbleiterplättchen aufweisen, die von dem Magnetfeld des Magneten beispielsweise senkrecht durchsetzt werden. Eine zur Magnetfeldstärke proportionale Spannung kann quer zur Stromrichtung an dem Halbleiterplättchen abgegriffen werden.
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Bei Drehung des ersten Bauelements und damit des Dauermagneten wird mit Hilfe eines ersten Hallelement-Paars ein erstes Messsignal ermittelt, welches z.B. einem Sinus-Wert bzw. einem x-Wert der Magnetfeldrichtung entspricht. Mit Hilfe des zweiten Hallelement-Paars wird ein zweites Messsignal ermittelt welches z.B. einem Cosinus-Wert bzw. einem y-Wert der Magnetfeldrichtung entspricht.
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Das magnetempfindliche Element kann in die Mikroprozessoreinheit integriert sein. Die Mikroprozessoreinheit kann zum Beispiel als eine Platine mit einem bzw. mehreren Halbleiterchips beispielsweise aus Silizium ausgeführt sein. Neben dem magnetempfindlichen Element und der Speichereinheit kann eine Signalverarbeitungselektronik in die Mikroprozessoreinheit integriert sein. Dabei kann die Mikroprozessoreinheit auch als anwendungsspezifische integrierte Schaltung bezeichnet werden.
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Insbesondere kann die Speichereinheit einen Quellcode, das heißt, ein Softwareprogramm beliebig oft empfangen, speichern, abändern und bereitstellen bzw. ausführen. Der Quellcode kann dabei die Verarbeitung der Messsignale des magnetempfindlichen Elements vorgeben. Ferner kann der Quellcode Diagnoseschwellenwerte, bei denen zum Beispiel ein Fehlersignal ausgegeben wird festlegen. Ferner kann der Quellcode eine Kennlinie für das Messsignal vorgeben. Die Kennlinie legt dabei zum Beispiel fest welchem Spannungs- oder Strommesswert welcher Drehwinkel zuzuordnen ist. Ferner kann der Quellcode Filter für das Messsignal aufweisen. Beispielsweise können Rauschfilter bzw. Algorithmen zur Mittelwertbildung im Quellcode implementiert sein. Des Weiteren kann der Quellcode die Ausgangsformate wie zum Beispiel pulsweitenmoduliert (PWM) oder digital (Sent) festlegen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speichereinheit Flash-programmierbar. Flash-programmierbar kann dabei bedeuten, dass der Quellcode mit Hilfe einer bestimmten Plattform bzw. mittels eines bestimmten Computerprogramms erzeugt wird. Insbesondere kann die Flash-Programmierung eine besonders einfache und gegebenenfalls objektorientierte Form der Programmierung sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speichereinheit derart ausgeführt ist, dass der Quellcode mehrmals abänderbar ist. Das heißt, im Gegensatz zur irreversiblen Hardwareprogrammierung wie zum Beispiel dem Zenerdiodenzapping, kann die Funktionalität der Messvorrichtung beliebig oft abgeändert bzw. angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Speichereinheit ausgeführt, mittels eines freiprogrammierbaren Algorithmus eine Anpassung bzw. eine Korrektur einer Kennlinie und/oder eines Kennfeldes des Messsignals durchzuführen bzw. zu hinterlegen. Zum Beispiel kann die Kennlinie des Messsignals der jeweiligen ggf. bereits im Kraftfahrzeug bereits eingebauten Messvorrichtung an eine Nichtlinearität der Mechanik angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Kennlinien in der Speichereinheit hinterlegt werden, von denen jeweils die angemessene Kennlinie zur Auswertung des Messsignals ausgewählt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Messvorrichtung einen Ausgang auf. Der Ausgang kann einerseits die Messsignale bereitstellen, um diese an weitere Komponenten, wie zum Beispiel an eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs, zu übermitteln. Andererseits ist der Ausgang mit einer Programmiereinrichtung, wie zum Beispiel einem Computer direkt oder indirekt, zum Beispiel über die Steuereinheit, verbindbar. Die Speichereinheit ist ausgeführt, Datenpakete mit dem Quellcode von der Programmiereinrichtung zu empfangen und zu speichern. Ferner ist die Mikroprozessoreinheit ausgeführt, den Quellcode auszuführen. Auf diese Weise können direkt an der Verbauten Messvorrichtung bestehende Funktionalitäten angepasst bzw. neue Funktionalitäten implementiert werden. Ferner kann hierdurch zum Beispiel ein Bugfixing, also eine Korrektur des Quellcodes ermöglicht werden.
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Zur Programmierung der Messvorrichtung über einen Ausgang kann zum Beispiel ein Programmierstartsignal dem Datenpaket vorausgeschickt werden. Beispielsweise kann statt einem üblichen 5V-Puls ein 7,5V-Puls den Beginn der Übermittlung von Datenpaketen an die Speichereinheit signalisieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen Messvorrichtung vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Anordnen eines Magneten an einem ersten Bauelement; Anordnen einer Mikroprozessoreinheit mit einem magnetempfindlichen Element an einem zweiten Bauelement; Lagern des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements drehbar um eine gemeinsame Drehachse; Ausgestalten des magnetempfindlichen Elements derart, dass es in Abhängigkeit eines Magnetfelds des Magneten ein Messsignal erzeugt, welches repräsentativ für einen Drehwinkelwert des ersten Bauelements in Bezug auf das zweite Bauelement ist; Vorsehen einer Speichereinheit an der Mikroprozessoreinheit; und Programmieren der Speichereinheit mit einem Quellcode.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner Hinterlegen eines variablen Kennfelds für das Messsignal in der Speichereinheit auf. Das Kennfeld kann dabei zum Beispiel je nach Fahrzeugtyp bzw. den Anforderungen entsprechend abgerufen werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner Anpassen bzw. Korrigieren einer Kennlinie des Messsignals durch Implementierung eines freiprogrammierbaren Algorithmus auf der Speichereinheit auf. Dabei ist eine derartige Anpassung für jeden Einzelfall bzw. für jede Messvorrichtung individuell möglich.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner variables Einstellen eines Ausgabesignals durch Ändern des Quellcodes in der Speichereinheit auf. Beispielsweise kann hierdurch eine Diagnose bzw. eine Eigendiagnose der Messvorrichtung variabel ausgeführt sein. Insbesondere kann je nach Fahrzeugtyp bzw. je nach Kundenwunsch ein unterschiedliches Ausgabesignal in einem Fehlerfall eingestellt werden. Zum Beispiel kann bei einem zu geringen Magnetfeld bei einem Fahrzeugtyp die Diagnose „low“ bei einem anderen Fahrzeugtyp die Diagnose „high“ ausgegeben werden. Ähnliche Flexibilität beim Ausgabesignal ist zum Beispiel auch bei einer Unter- oder Überspannung und bei einem Leitungsabriss gegeben.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines Quellcodes zur Flashprogrammierung einer oben beschriebenen Messvorrichtung zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels vorgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnung ersichtlich.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer Bestandteile gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in der Figur nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Messvorrichtung 1 zur berührungslosen Ermittlung eines Drehwinkels dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist einen Magneten 7 und eine Mikroprozessoreinheit 9 auf. Der Magnet 7 ist an einem ersten Bauelement 3 angeordnet und mit diesem drehfest verbunden. Beispielsweise kann der Magnet 7 am ersten Bauelement 3 in Kunststoff eingespritzt sein. Das erste Bauelement 3 kann ein beweglicher Bauteil, wie zum Beispiel ein Rotor bzw. ein Stellglied einer Drosselklappe sein. Die Mikroprozessoreinheit 9 ist am zweiten Bauelement 5 angeordnet und mit diesem drehfest verbunden. Das zweite Bauelement 5 kann ein ortsfestes Bauelement wie zum Beispiel ein Stator oder ein Gehäuse sein.
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Das erste Bauelement 3 und das zweite Bauelement 5 sind um eine gemeinsame Drehachse 13 gegeneinander drehbar gelagert. Ferner weist die Mikroprozessoreinheit 9 ein magnetempfindliches Element 11 auf, das zum Beispiel als Hallsensor ausgeführt ist. Dabei kann die Mikroprozessoreinheit als anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgeführt sein bzw. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung aufweisen.
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Bei einer Positionsänderung des ersten Bauelements 3 in Bezug auf das zweite Bauelement 5 ändert sich auch das Magnetfeld, welches das magnetempfindliche Element 11 durchsetzt. Das magnetempfindliche Element 11 ist dabei ausgeführt, in Abhängigkeit von dem Magnetfeld des Magneten 7 ein Messsignal zu erzeugen, welches repräsentativ für den Drehwinkelwert des ersten Bauelements 3 gegenüber dem zweiten Bauelement 5 ist.
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Bei bekannten Messvorrichtungen ist die Funktionalität der Messvorrichtung fest in der Halbleiterstruktur der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung abgebildet. Eine Anpassung der Ausgangskennliniencharakteristik und Änderungen einzelner Funktionsparameter der bekannten Messvorrichtungen erfolgt zum Beispiel über Zenerdiodenzapping oder durch Überschreiben von „electrically erasable programmable read-only memory“-Inhalten (EEPROM-Inhalten). Dabei ist eine Anpassung bzw. Abänderung der Funktionalität bei bereits hergestellten Drehwinkelsensoren in den meisten Fällen unmöglich oder auf eine sehr geringe Anzahl von Änderungen über Lebensdauer beschränkt und mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden.
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Um eine flexible Anpassung der Funktionalität der Messvorrichtung 1 zu ermöglichen, weist die Mikroprozessoreinheit 9 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 eine Speichereinheit 15 auf, die mit einem Quellcode programmierbar ist. Dass heißt, die in der Mikroprozessoreinheit 9 integrierte Speichereinheit 15 ermöglicht im Gegensatz zur Hardware-gebundenen bisherigen Implementierung von Funktionen der Messvorrichtung 1, eine Softwareprogrammierung, die eine schnelle Anpassung der Sensorfunktionen ohne hardwareseitige Maßnahmen ermöglicht.
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Insbesondere kann zum Beispiel eine bereits im Kraftfahrzeug verbaute Messvorrichtung 1 über einen Ausgang 17 direkt oder indirekt mit einer Programmiereinrichtung 19 verbunden werden, die eine Anpassung oder Neuimplementierung der Funktionalität der Messvorrichtung 1 ermöglicht.
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Im Folgenden sind Beispiele für Abänderungen, Anpassungen, Korrekturen und Neuimplementierungen der Funktionalitäten der Messvorrichtung 1 aufgeführt. Eine Diagnosefunktion der Messvorrichtung 1 kann an unterschiedliche Wünsche und Gegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise kann ein bestimmter Schwellenwert und das mit einer Überschreitung des Schwellenwerts verbundene Ausgabesignal bzw. die entsprechende Fehlermeldung beliebig gewählt werden. Ferner können unterschiedliche Kennfelder bzw. eine Vielzahl von Kennlinien des Messsignals in der Speichereinheit 15 einer Messvorrichtung 1 hinterlegt und je nach Wunsch bzw. Notwendigkeit abgerufen werden.
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Des Weiteren können Kennlinien an der bereits verbauten Messvorrichtung 1 korrigiert bzw. angepasst werden. Zusätzlich bietet die mittels eines Quellcodes programmierbare Speichereinheit 15 die Möglichkeit einen beliebigen Filter für das Ausgangssignal der Messvorrichtung 1 zu implementieren. Beispielsweise kann hierdurch ein Rauschen herausgefiltert bzw. das Signal gepuffert werden. Dabei kann eine bessere Qualität des Ausgabesignals erreicht werden.
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Zusätzlich ermöglicht die Flash-programmierbare Speichereinheit 15 eine beliebige Korrektur, ein sogenanntes „Bugfixing“ an der verbauten Messvorrichtung 1 ohne die Notwendigkeit von Aufwendigen Hardwareänderungen und Hardwareneudesigns. Ferner ermöglicht die programmierbare Speichereinheit 15 die Verwendung unterschiedlicher Versorgungsspannungen. Beispielsweise können dank Programmänderungen Versorgungsspannungen von 3,3 V oder 5 V verwendet werden.
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Eine weitere Funktionalität der Messvorrichtung 1, die mittels der programmierbaren Speichereinheit 15 ermöglicht wird, ist die Bereitstellung bzw. freie Anpassbarkeit von Signalausgangsformaten der Messvorrichtung 1. Dabei können u.a. die Ausgabeformate PWM und oder Sent gewählt werden. Die Speichereinheit 15 ist dabei beliebig oft programmierbar.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016133 A1 [0001]
