DE102013213053A1

DE102013213053A1 - Drehwinkelsensorvorrichtung mit redundanten Sensoreinheiten

Info

Publication number: DE102013213053A1
Application number: DE102013213053.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hannappel; Csaba Györi; Jörg Dammköhler
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2015001062A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelsensorvorrichtung, insbesondere zum Erfassen des Rotorwinkels eines elektrischen Motors, mit einem Chipgehäuse zum Aufnehmen von integrierten Schaltkreisen, einer Sensoreinheit zum Erfassen des Rotorwinkels, und einer Auswerteeinheit zum Aufnehmen der von der Sensoreinheit erzeugten Signale. Um den Rotorwinkel noch zuverlässiger bestimmen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Auswerteeinheit und mindestens zwei Sensoreinheiten auf dem Chipgehäuse angeordnet sind, die unabhängig voneinander den Rotorwinkel erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelsensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Antriebsvorrichtung und eine Lenkhilfe mit einer erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung.
Bei elektrisch unterstützten Lenkungen in einem Kraftfahrzeug wird ein elektrischer Motor zur Unterstützung der Lenkbewegungen des Lenkrades verwendet. Diese Systeme werden als EPS (Electric Power Steering) bezeichnet.
EPS-Systeme weisen eine Steuereinheit auf, die als ECU (Electronic Control Unit) bezeichnet wird. Die ECU und/oder der Lenkmotor selbst enthalten Drehwinkelsensoren, um die aktuelle Position des Rotors zum Stator des Motors zu bestimmen. Diese Informationen werden für die korrekte Ansteuerung des Lenkmotors genutzt, die in Abhängigkeit vom Handlenkmoment des Fahrers und weiterer Fahrzeug-Parameter, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Lenkwinkel, berechnet wird. Gleichzeitig besteht auch die Möglichkeit, aus der Winkelinformation des Rotors, die Information über die Anzahl der Rotor- bzw. Motorumdrehungen, das Gesamtübersetzungsverhältnisses des Lenksystems, den Lenkwinkel des Fahrzeugs zu berechnen und bereitzustellen.
In der EP 2 053 363 A2 ist eine Vorrichtung zum Ermitteln von Umdrehungen einer Welle beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Sensoreinheit, die ein Sensorsignal erfasst, das repräsentativ für den Drehwinkel der Welle ist. Zudem umfasst die Vorrichtung eine erste und zweite Zählereinheit, die dazu ausgebildet sind, unter Auswertung des Sensorsignals jeweils entweder ein Inkrement- oder ein Dekrementsignal nach einem bestimmten Ablaufwinkel zu erzeugen.
In der EP 2 053 740 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Schaltungsanordnung beschrieben, die mittels eines Taktsignalgebers getaktet ist und dazu ausgebildet ist, abhängig von einem vorgegebenen Sensorsignal mindestens einen Zähler entweder zu inkrementieren oder zu dekrementieren. Neben dem Taktsignalgeber weist die Schaltungsanordnung einen Referenztaktsignalgeber auf. Mittels der Verhältnisbildung zwischen erster Frequenz des Taktsignals und der zweiten Frequenz des Referenztaktsignals kann zuverlässig eine veränderte erste Frequenz des Taktsignals detektiert werden.
Aus der EP 2 050 658 B1 ist ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Sensoreinheit bekannt, die ein Sensorsignal empfängt, das repräsentativ für einen Lenkwinkel eines Lenkrades ist. Damit nach dem Einschalten der Zündung der tatsächliche Lenkwinkel sofort zur Verfügung steht, sind die Auswerteeinheit und die Sensoreinheit auch während der ausgeschalteten Zündung weiterhin eingeschaltet.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehwinkelsensorvorrichtung aufzuzeigen, die eine verbesserte Ausfallsicherheit bei gleich bleibender oder verbesserter Genauigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Drehwinkelsensorvorrichtung der eingangs genannten Art, die derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinheit und mindestens zwei Sensoreinheiten in dem Chipgehäuse angeordnet sind, die unabhängig voneinander den Rotorwinkel erfassen
Der Erfindung liegt der Grundgedanke zu Grunde die Ausfallsicherheit der Drehwinkelsensorvorrichtung durch die Redundanz der Sensoreinheiten zu erhöhen, wobei die Sensoreinheiten in dem gleichen Chipgehäuse angeordnet sind und daher eine in Bezug auf einen Winkelgeber im Wesentlichen identische Messposition einnehmen. Auf diese Weise können die Sensorsignale ohne weiteres miteinander verglichen werden. Des Weiteren steht bei einem Ausfall einer Sensoreinheit über die intakten Sensoreinheiten weiterhin ein Sensorsignal zur Verfügung, dass zu dem Sensorsignal der ausgefallenen Sensoreinheit gleichwertig ist.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit für jeweils eine Sensoreinheit mindestens eine Zählereinheit zum Zählen einer Motorumdrehung aufweist. Die redundant ausgeführten Zählereinheiten ermöglichen jede Sensoreinheit jeweils für sich mit einer Multiturnfähigkeit auszustatten, wie sie in den eingangs Zitierten Druckschriften ist. Die Maßnahmen zur Erreichung der Multiturnfähigkeit haben einen sehr niedrigen Stromverbrauch haben, so dass diese Teile auch bei ausgeschaltetem Fahrzeugmotor in Betrieb bleiben können. Besonders vorteilhaft ist es, dass die Sensoreinheiten einen absoluten Lenkwinkel für das Fahrzeug berechnen können und diese Ergebnisse redundant vorliegen.
Die erfindungsgemäße Drehwinkelsensorvorrichtung wird dadurch vorteilhafterweise weitergebildet, dass für jede Sensoreinheit jeweils eine Auswerteeinheit vorgesehen ist. Die Auswerteeinheiten sind vorteilhafterweise in dem Chipgehäuse integriert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Sensoreinheit als magnetoresistive, insbesondere anisotrope magnetoresistive, Sensoreinheit ausgebildet ist.
Ferner ist es besonders zweckmäßig, dass eine Sensoreinheit zwei Hallsensorelemente aufweist, wobei die Hallsensorelemente in einer Ebene um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Hallsensorelemente in dem Auswerteeinheit integriert ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass die beiden Sensoreinheiten als Sensorchip ausgebildet sind und die Sensorchips übereinander angeordnet sind.
Dabei ist es zweckmäßig, dass die Sensorchips einen Randbereich mit Anschlüssen aufweisen, wobei die Sensorchips derart übereinander angeordnet sind, dass die Randbereiche der Sensorchips versetzt zueinander angeordnet sind.
In einer Weiterentwicklung sieht die Erfindung vor, dass die Auswerteeinheit als Auswertechip ausgebildet ist und die Sensorchips jeweils unmittelbar benachbart zum Auswertechip angeordnet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei AMR-Sensorchips und ein Auswertechip in dem Chipgehäuse angeordnet sind.
In einer Weiterentwicklung sieht die Erfindung vor, dass ein AMR-Sensorchip und ein Auswertechip mit integrierten Hallsensorelementen in dem Chipgehäuse angeordnet sind.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung.
In 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung zum Erfassen des Rotorwinkels eines elektrischen Motors. Die Drehwinkelsensorvorrichtung 1 weist ein Chipgehäuse 5 zum Aufnehmen von integrierten Schaltkreisen, zwei Sensoreinheiten 3, 4 zum Erfassen des Rotorwinkels und eine Auswerteeinheit 2 zum Aufnehmen der von der Sensoreinheit 3 erzeugten Signale auf. Die Auswerteeinheit 2 und die zwei Sensoreinheiten 3, 4 sind im Chipgehäuse 5 angeordnet und erfassen unabhängig voneinander den Rotorwinkel.
Einen Einsatz findet die Drehwinkelsensorvorrichtung beispielsweise bei modernen lenkunterstützenden Lenksystemen, die elektrische Lenkmotoren zur Unterstützung einer Lenkkraft eines Fahrers eines Kraftfahrzeuges aufweisen. Die Lenkmotoren unterstützen den Fahrer beim Erreichen seiner beabsichtigten Lenkrichtung, solange dieser ein entsprechendes Drehmoment auf ein mit dem Lenkmotor verbundenes Lenkrad ausübt. Der elektrische Lenkmotor im Lenksystem wird typischerweise mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit angesteuert. Zum Betreiben der Steuer- und/oder Regeleinheit wird neben anderen Zustandsgrößen des elektrischen Lenkmotors die aktuelle Position des Rotors des elektrischen Lenkmotors benötigt.
Das Chipgehäuse 5 ist aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise Kunststoff, hergestellt. Innerhalb des Chipgehäuses 5 sind der Sensorchip und der Auswertechip angeordnet. Die Verbindung zwischen den Chips sowie zwischen den Chips und den Anschluss-Kontakten des IC-Gehäuses geschieht z.B. durch Bondverbindungen. So ist die Drehwinkelsensorvorichtung 1 beispielsweise einfach auf einer Leiterplatine zu integrieren. Die Leiterplatine ist an einer Stirnseite des Motors angeordnet, so dass die Drehwinksensorvorrichtung 1 mit dem Magnetfeld des Rotorelements zusammenwirken kann.
Die Auswerteeinheit 2 ist als Auswertechip ausgebildet und weist für jeweils eine Sensoreinheit 3, 4 mindestens eine Zählereinheit zum Zählen einer Motorumdrehung auf. Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit zwei Zählereinheiten für jede Sensoreinheit 3, 4 auf. Alternativ ist es denkbar jede Sensoreinheit 3, 4 jeweils eine Auswerteeinheit 2 vorzusehen.
Die Kombination der eingangs genannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik mit mindestens zwei Sensoreinheiten 3, 4, die auf dem gleichen Chipgehäuse 5 angeordnet sind, ist hinsichtlich der erhöhten Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit besonders vorteilhaft. Durch die redundante Ausführung mit zwei Sensoreinheiten kann des Weiteren ein absoluter Lenkwinkel für ein Fahrzeug berechnet werden. Es kann daher auf Umdrehungszähler verzichtet werden, da aus den Sensorsignalen die absolute Anzahl der Umdrehungen („Multiturnfähgikeit“) ableitbar ist. Da die Sensoreinheiten sich zudem durch einen geringen Stromverbrauch auszeichnen, kann die Drehwinkelsensorvorrichtung auch bei abgeschaltetem Fahrzeugmotor in Betrieb bleiben. Es ist somit eine Drehwinkelsensoranordnung geschaffen, die sich durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnet und durch die insgesamt die funktionale Sicherheit verbessert werden kann.
Bei den Sensoreinheiten 3, 4 handelt es sich um anisotrope magnetoresistive Sensoreinheiten, die jeweils als Sensorchips 3, 4 ausgebildet sind. Vorteilhafterweise sind die Sensorchips 3, 4 jeweils unmittelbar benachbart zum Auswertechip angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorchips 3, 4 auch übereinander angeordnet. Die Sensorchips 3, 4 weisen einen Randbereich mit Anschlüssen auf, wobei die Sensorchips 3, 4 derart übereinander angeordnet sind, so dass die Randbereiche der Sensorchips 3, 4 versetzt zueinander angeordnet sind. Beide Sensorchips 3, 4 sind unabhängig voneinander mit dem Auswertechip 2 verbunden, wobei die Anschlüsse 6 als Bonddrähte ausgeführt sind.
2 zeigt ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehwinkelsensorvorrichtung 1, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensorchips 3, 4 nicht übereinander angeordnet sind, sondern in dem Chipgehäuse 5 jeweils benachbart zum Auswertechip 2 angeordnet sind. In Bezug auf den Auswertechips 2 ist der erste Sensorchip 3 auf einer Seite des Auswertechips 2 angeordnet und der zweite Sensorchip 4 auf der gegenüberliegenden Seite. Dies vereinfacht die Verbindung der Sensorchips 3, 4 mit dem Auswertechip 2 mittels der Bonddrähte 7.
Dies sind jedoch beispielhafte Anordnungen, da im Rahmen der Erfindung die beiden Sensorchips 3, 4 gegenüber dem Auswertechip 2 an unterschiedlichen Positionen angeordnet und in unterschiedlichen Richtungen zueinander ausgerichtet sein können.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei hier die Sensoreinheiten 3, 4 als unterschiedliche Sensortypen ausgebildet sind. Die 1. Sensoreinheit 3 ist als anisotrope magnetoresistive Sensoreinheit 3 ausgebildet, wobei die Schaltkreise in einem Sensorchip untergebracht sind. Die zweite Sensoreinheit 4 ist als vertikales Hallsensorelement ausgebildet. Es weist zwei Hallsensorelemente 8, 9 auf, wobei die Hallsensorelemente in einer Ebene um 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Die Hallsensorelemente 8, 9 in dem Auswertechip 2 integriert ausgebildet. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiel ist liegt darin, dass die Messgenauigkeit des AMR-Sensorchips 3 mit der Fähigkeit des vertikalen Hallsensorelements 4 eine vollständige mechanische Umdrehung erfassen zu können, kombiniert werden kann, um eindeutige Messwerte zu erhalten und so genannte „Common Cause“ Fehler zu vermeiden.
Die Drehwinkelsensorvorrichtung ist vorzugsweise in eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einem elektrischen Motor zum Aufbringen eines unterstützenden Drehmoments integriert. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Lenkhilfe für ein Kraftfahrzeug.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2053363 A2 [0004]
EP 2053740 A2 [0005]
EP 2050658 B1 [0006]

Claims

Drehwinkelsensorvorrichtung (1), insbesondere zum Erfassen des Rotorwinkels eines elektrischen Motors, aufweisend – ein Chip-Gehäuse zum Aufnehmen von integrierten Schaltkreisen, – eine Sensoreinheit (3) zum Erfassen des Rotorwinkels, und – eine Auswerteeinheit (2) zum Aufnehmen der von der Sensoreinheit (3) erzeugten Signale, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit und mindestens zwei Sensoreinheiten (3, 4) in dem Chipgehäuse angeordnet sind, die unabhängig voneinander den Rotorwinkel erfassen.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (2) für jeweils eine Sensoreinheit mindestens eine Zählereinheit zum Zählen einer Motorumdrehung aufweist.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Sensoreinheit (3, 4) jeweils eine Auswerteeinheit (2) vorgesehen ist.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sensoreinheit (3, 4) als magnetoresistive, insbesondere anisotrope magnetoresistive, Sensoreinheit ausgebildet ist.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (3, 4) zwei Hallsensorelemente aufweist, wobei die Hallsensorelemente in einer Ebene um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensorelemente in der Auswerteeinheit integriert ausgebildet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensoreinheiten (3, 4) jeweils als Sensorchip ausgebildet sind und die Sensorchips übereinander angeordnet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (3, 4) einen Randbereich mit Anschlüssen aufweisen, wobei die Sensorchips (3, 4) derart übereinander angeordnet sind, dass die Randbereiche der Sensorchips (3, 4) versetzt zueinander angeordnet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (2) als Auswertechip ausgebildet ist und die Sensorchips (3, 4) jeweils unmittelbar benachbart zum Auswertechip (2) angeordnet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei AMR-Sensorchips und ein Auswertechip (2) in dem Chipgehäuse angeordnet sind.
Drehwinkelsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein AMR-Sensorchip und ein Auswertechip (2) mit integrierten Hallsensorelementen in dem Chipgehäuse angeordnet sind.
Elektrische Antriebsvorrichtung, insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrischen Motor zum Aufbringen eines unterstützenden Drehmoments und mit einer Drehwinkelsensorvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12.