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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer von einer Drehzahl abhängigen Sensorinformation mit einem Drehzahlsensor, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Sensor mit der Steuervorrichtung.
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Aus der
EP 0479525 A2 ist ein sogenannter Resolver bekannt, der beispielsweise zur Fremdkommutierung elektrischer Maschinen verwendet wird, wenn diese ohne Bürsten ausgelegt werden sollen oder sogar müssen. Derartige Resolver sind in Segmente aufgeteilt und bestimmen abhängig von der Stellung eines Rotors der elektrischen Maschine gegenüber einem Stator innerhalb eines Segmentes eine Winkellage, die es ermöglicht, mittels einer an die elektrische Maschine angeschlossenen Steuerelektronik die elektrische Maschine anzusteuern und mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, derartige Resolver zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Erfassen einer Winkelstellung einer Welle basierend auf einem physikalischen Geberfeld, das ortsfest zur Welle umfänglich um diese gelegt ist, eine Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer Winkelstellung des physikalischen Geberfeldes ein erstes periodisches Signal und ein zum ersten periodischen Signal phasenverschobenes zweites periodisches Signal auszugeben, eine Lageerfassungseinrichtung zum Ausgeben eines von der Winkelstellung des physikalischen Geberfeldes abhängigen Winkelsignals basierend auf einer Gegenüberstellung der beiden periodischen Signale, und eine Pulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Drehzahlpulses, wenn wenigstens eines der periodischen Signale einer vorbestimmten Bedingung genügt.
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Der angegebenen Vorrichtung liegt die Überlegung zugrunde, dass sich der Einsatzzweck von Vorrichtungen zum Erfassen Winkelstellungen basierend physikalischen Geberfeldern, wie beispielsweise dem eingangs Resolver auf die Erfassung dieser Winkelstellungen beschränkt. Wie bereits erläutert, kann der Resolver zur Fremdkommutierung einer elektrischen Maschine verwendet werden, die beispielsweise ein Fahrzeug antreiben kann. Über die Winkelstellung hinaus werden in dem eingangs genannten Resolver jedoch keine weiteren Informationen aus dem sich mit der Welle drehenden physikalischen Geberfeld abgeleitet.
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Hierzu greift die angegebene Vorrichtung mit der Überlegung an, aus dem sich drehenden physikalischen Geberfeld auch die Drehzahl der Welle abzuleiten. Die Drehzahl wird beispielsweise in einem Fahrzeug an jedem Rad zur Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder zur Erfassung eines instabilen Fahrzeugzustandes erfasst. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann dann angezeigt und/oder geregelt werden, während ein instabiler Fahrzeugzustand, wie beispielsweise ein Untersteuern oder Übersteuern, durch geeignete Regelungseingriffe stabilisiert werden kann. Gerade in Elektrofahrzeugen, in denen jedes Rad individuell von einer eigenen elektrischen Maschine, auch Elektromotor genannt, angetrieben wird, ist die angegebene Vorrichtung besonders effektiv, weil hier an jedem einzelnen Rad die Raddrehzahlsensoren vollständig eingespart werden können.
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Mit anderen Worten kann im Rahmen der angegebenen Vorrichtung ausgehend von dem eingangs genannten Resolver, sein Encoder zur Erzeugung des physikalischen Geberfeldes für eine zusätzliche Messaufgabe, also die Drehzahlerfassung, verwendet werden, wodurch Bauraum gespart und Herstellungskosten für eine Endanwendung, in der die angegebene Vorrichtung eingesetzt wird, gesenkt werden können, weil nun statt zwei Erfassungsvorrichtungen nur noch eine Erfassungsvorrichtung notwendig ist.
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Die beiden zuvor genannten periodischen Signale besitzen, bedingt durch die Drehzahl des physikalischen Geberfeldes die gleiche Frequenz und können daher in einer Zusammenschau als Zeiger betrachtet werden, der sich mit der Drehzahl dreht. Dieser Zeiger besitzt zu jedem beliebigen Punkt in der Zeit einen eindeutigen Momentanwinkel, der direkt von der Winkellage des physikalischen Geberfeldes abhängig ist oder dieses sogar direkt repräsentiert. Daher kann aus der Zusammenschau und damit aus der Gegenüberstellung der beiden periodischen Signale die Winkellage des physikalischen Geberfeldes abgeleitet werden. Die Art der Gegenüberstellung ist dabei unerheblich. Es kann beispielsweise direkt der zuvor genannte Zeiger gebildet und dann die Winkelstellung berechnet werden. Alternativ könnten auch einfachere Berechnungen verwendet werden, bei denen zwar auf die Winkelstellung, nicht aber auf den vollständigen Zeiger geschlossen wird.
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In einer besonderen Weiterbildung umfasst die angegebene Vorrichtung einen Encoder zum Erregen des physikalischen Geberfeldes, wobei die Welle durch einen Elektromotor mit einer vorbestimmten Polpaarzahl antreibbar ist, die gleich einer Polpaarzahl des Encoders ist. Insbesondere in Elektromotoren, die als fremdkommutierte Maschine ohne Bürsten ausgelegt sind, lässt sich die angegebene Vorrichtung damit als Resolver verwenden, die darüber hinaus noch als weitere Information die Drehzahl der elektrischen Maschine in form von Drehzahlpulsen ausgeben kann.
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In einer anderen Weiterbildung umfasst die Sensoreinrichtung einen ersten Messaufnehmer und einen zweiten Messaufnehmer, die je eingerichtet sind, wenigstens ein periodisches Signal in Abhängigkeit der Winkelstellung des physikalischen Geberfeldes auszugeben. Die Messaufnehmer, auch Sensorköpfe genannt, können die periodischen Signale in beliebiger Weise erzeugen. Ist das physikalische Geberfeld beispielsweise ein Magnetfeld, dann kann der Messaufnehmer eine Messbrücke mit magnetischen Messelementen, wie beispielsweise Hall-Messelementen oder magnetoresistiven Messelementen umfassen, die elektrische Signale in Abhängigkeit des Magnetfeldes generieren.
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Dabei kann jeder Messaufnehmer eingerichtet sein, ein erstes und zweites periodisches Signal auszugeben. Dies lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch erreichen, dass jeder Messaufnehmer mehrere Messbrücken umfasst, die dann wiederrum zueinander verdreht sind, was zu einer phasenverschobenen Ausgabe der einzelnen periodischen Signale führt. In der Folge werden vier verschiedene phasenverschobene Signale erzeugt, die dann wiederrum alle zur Erzeugung der Drehzahlpulse in der Pulserzeugungseinrichtung herangezogen werden können. Da der Resolver für einen optimalen Einsatz in einer fremdkommutierten Maschine mit seiner Polpaarzahl, wie bereits erwähnt, an die Polpaarzahl der fremdkommutierten Maschine angeglichen werden sollte und so gegebenenfalls zu wenige Polpaare zur Erzeugung der Drehzahlpulse zur Verfügung stehen könnten, kann dies durch den Einsatz mehrerer Messaufnehmer mit je mehreren Messbrücken wieder ausgeglichen werden.
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In diesem Fall sollte der zweite Messaufnehmer gegenüber dem ersten Messaufnehmer derart angeordnet sein, dass eine Phase des ersten periodischen Signals aus dem zweiten Messaufnehmer zwischen einer Phase des ersten periodischen Signals und einer Phase des zweiten periodischen Signals aus dem ersten Messaufnehmer liegt. Normalerweise werden die Drehzahlpulse in herkömmlichen Drehzahlsensoren basierend auf den Nulldurchgängen getriggert. Somit würden pro Periode eines periodischen Signals und damit pro Polpaar des physikalischen Geberfeldes zwei Drehzahlpulse ausgelöst und ein Messaufnehmer, der zwei periodische Signale ausgibt würde dann pro Polpaar des physikalischen Geberfeldes vier Drehzahlpulse auslösen. Insbesondere, wenn die beiden, von einem Messaufnehmer ableitbaren Drehzahlpulse äquidistant zueinander sind, bringt ein zusätzliches periodisches Signal aus einem weiteren Messaufnehmer nach den beiden zuvor genannten periodischen Signalen keine weitere Auflösungserhöhung. Diese wird nur erreicht, wenn das zusätzliche periodische Signal zwischen die bereits vorhandenen periodischen Signale gelegt wird, die die äquidistanten Drehzahlpulse generiert. Dazu sollten die beiden vorhandenen periodischen Signale zweckmäßigerweise mit 90° voneinander beabstandet, also komplementär zueinander angeordnet sein.
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Im zuvor genannten Fall, dass zwischen zwei vorhandene periodische Signale, vorzugsweise mit der Phasendifferenz von 90° ein drittes periodisches Signal gelegt wird, sollte der zweite Messaufnehmer gegenüber dem ersten Messaufnehmer derart angeordnet ist, dass ein Phasenunterschied zwischen den beiden periodischen Signalen aus dem ersten Messaufnehmer ein Vielfaches des Phasenunterschiedes zwischen dem ersten periodischen Signal aus dem erste Messaufnehmer und dem ersten periodischen Signal aus dem zweiten Messaufnehmer ist. Das Vielfache sollte dabei von der Gesamtzahl der zusätzlichen Messaufnehmer abhängig sein. Werden nur zwei Messaufnehmer verwendet, so sollte das Vielfache gleich zwei sein, so dass die Drehzahlpulse alle 45° in einem Polpaar des Encoders generiert werden. Werden drei Messaufnehmer verwendet, so sollte das Vielfache gleich drei sein, so dass die Drehzahlpulse alle 22,5° in einem Polpaar des Encoders generiert werden. Werden vier Messaufnehmer verwendet, so sollte das Vielfache gleich vier sein, so dass die Drehzahlpulse alle 11,25° in einem Polpaar des Encoders generiert werden. In diesem Fall ist gesichert, dass die Messpulse alle äquidistant zueinander erzeugt und ausgegeben werden.
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Um die zuvor genannte Phasenverschiebung der zusätzlichen periodischen Signale zu den bereits vorhandenen komplementären periodischen Signalen zu erreich sollte der erste Messaufnehmer zweckmäßigerweise in Umfangsrichtung der Welle betrachtet versetzt zum zweiten Messaufnehmer angeordnet werden.
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Werden für die Erzeugung der Drehzahlpulse zwei Messaufnehmer verwendet, kann die angegebene Vorrichtung vor allem in der Automobiltechnik aus den meisten herkömmlichen Resolvern hardwaretechnisch nur durch zufügen der Pulserzeugungseinrichtung gefertigt werden, weil die meisten Resolver aus Sicherheitsgründen ohnehin Redundanz besitzen und zwei Messaufnehmer zur Verfügung stellen müssen.
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Wie bereits ausgeführt, könnte die Pulserzeugungseinrichtung immer dann zum Erzeugen eines Drehzahlpulses vorgesehen ist, wenn ein periodisches Signal einen Nulldurchgang aufweist. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Es könnte statt eines Nulldurchgangs jede beliebige vorbestimmten Bedingung gewählt werden, der die periodischen Signale genügen können. Zweckmäßigerweise sollten jedoch als vorbestimmte Bedingung Signalzustände gewählt werden, weil diese durch Komparatoren technisch am einfachsten an den periodischen Signalen verifizierbar sind.
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In der anderen Weiterbildung der angegebenen Vorrichtung bestimmt die Winkelstellung des Zeigers basierend auf dem Arcustangens der beiden eingangs genannten periodischen Signale. Dazu sollten die beiden eingangs genannten periodischen Signale zweckmäßigerweise komplementär angeordnet werden, wobei durch Dividieren der Augenblickswerte der beiden periodischen Signale der Tangens-Wert des Momentanwinkels des Zeigers gebildet werden kann. Durch unmittelbare Anwendung des Arcustangens auf diesen Tangens-Wert steht dann der besagte Momentanwinkel zur Verfügung. Dieser ist über einen Bereich von 180° eines Polpaars des physikalischen Geberfeldes linear. Um den Momentanwinkel über 360° eines Polpaares des physikalischen Geberfeldes auszugeben, kann die an sich bekannte Arcustangens2-Funktion verwendet werden.
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In einer besonderen Weiterbildung ist die angegebene Vorrichtung eine Kombination aus einem Resolver für eine elektrische Maschine und einem Raddrehzahlsensor.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen von Informationen über ein sich mit einer Drehzahl drehendes physikalisches Geberfeld, insbesondere für eine der angegebenen Vorrichtungen die Schritte Erzeugen eines ersten periodischen Signals und eines zum ersten periodischen Signal phasenverschobenen zweiten periodischen Signals auszugeben in Abhängigkeit einer Winkelstellung des physikalischen Geberfeldes, Erzeugen einer Anzahl von Drehzahlpulsen in einem vorbestimmten Zeitraum in Abhängigkeit wenigstens eines der periodischen Signale, und Erzeugen eines von der Winkelstellung des physikalischen Geberfeldes abhängigen Winkelsignals basierend auf einer Gegenüberstellung der beiden periodischen Signale.
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Das Verfahren kann um Merkmale erweitert werden, die den Merkmalen der Vorrichtungsansprüche sinngemäß entsprechen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuer-vorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist eines der angegebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine der angegebenen Vorrichtungen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einer Fahrdynamikregelung,
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2 eine schematische Ansicht eines Resolvers in dem Fahrzeug der 1,
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3 eine schematische Ansicht von Messaufnehmern in dem Resolver aus 2,
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4 ein Diagramm mit Ausgangssignalen aus dem Resolver der 2, und
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5 eine alternative schematische Ansicht des Resolvers aus 2 zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf
1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges
2 mit einer an sich bekannten Fahrdynamikregelung zeigt. Details zu dieser Fahrdynamikregelung können beispielsweise der
DE 10 2011 080 789 A1 entnommen werden.
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Das Fahrzeug 2 umfasst ein Chassis 4 und vier Räder 6, die individuell über einen eigenen Elektromotor 8 angetrieben werden. Dazu gibt ein Fahrer des Fahrzeuges 2 einer der Übersichtlichkeit halber außerhalb des Fahrzeuges 2 angedeuteten Motorsteuerung 10 einen Fahrerwunsch 12 vor, basierend auf dem die Motorsteuerung 10 die einzelnen Elektromotoren 8 mit individuellen Ansteuersignalen 14 derart ansteuert, dass ein Vortrieb des Fahrzeuges 2 in Längsrichtung des Fahrzeuges 2 sichergestellt ist.
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Jeder Elektromotor 8 umfasst eine Steuerelektronik 16, die beispielsweise in die Elektromotoren 8 integriert ist. Aufgabe der Steuerelektronik 16 ist es, die elektrische Energieversorgung der einzelnen Elektromotoren 8 basierend auf den Ansteuersignalen 14 zu steuern. Die elektrische Energie kann dabei aus einem nicht weiter dargestellten Energiespeicher, wie beispielsweise einem Akkumulator bereitgestellt werden.
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Jeder Elektromotor 8 kann als bürstenloser, fremdkommutierter Elektromotor 8 ausgebildet sein. In diesem Fall benötigt die Steuerelektronik 16 jedoch die Winkelstellung 18 des jeweiligen Elektromotors 8, die an einer Welle 19 jedes Elektromotors 8 erfasst werden kann, über die jeder Elektromotor 8 sein jeweiliges Rad 6 antreibt. Diese Winkelstellung 18 wird durch einen sogenannten Resolver 20 erfasst, der die Winkelstellung 18 dann unmittelbar an die Steuerelektronik 16 in jedem Elektromotor 5 ausgibt.
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Ferner kann jedes Rad 6 kann über eine ortsfest am Chassis 4 befestigte Bremse 22 gegenüber dem Chassis 4 verlangsamt werden, um dem oben genannten Vortrieb des Fahrzeuges 2 entgegenzuwirken und eine Bewegung des Fahrzeuges 2 auf einer nicht weiter dargestellten Straße zu verlangsamen.
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Dabei kann es in einer dem Fachmann bekannten Weise passieren, dass die Räder 6 des Fahrzeuges 2 ihre Bodenhaftung verlieren und sich das Fahrzeug 2 sogar von einer, beispielsweise über ein nicht weiter gezeigtes Lenkrad vorgegebenen Trajektorie durch Untersteuern oder Übersteuern wegbewegt. Dies wird durch an sich bekannte Regelkreise wie ABS (Antiblockiersystem) und ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) vermieden.
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In der vorliegenden Ausführung wird am Fahrzeug 2 dafür mit den Resolvern 20 an den Rädern 6 die Drehzahl 24 der Räder 6 erfasst. Basierend auf den erfassten Drehzahlen 24 kann eine Auswertevorrichtung in Form eines Reglers 26 in einer dem Fachmann bekannten Weise bestimmen, ob das Fahrzeug 2 auf der Fahrbahn rutscht oder sogar von der oben genannten vorgegebenen Trajektorie abweicht und entsprechend mit einem an sich bekannten Reglerausgangssignal 28 darauf reagieren. Das Reglerausgangssignal 28 kann dann von einer Stelleinrichtung 30 verwendet werden, um mittels Stellsignalen 32 Stellglieder, wie die Bremsen 22 anzusteuern, die auf das Rutschen und die Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie in an sich bekannter Weise reagieren.
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Die Ausgabe und Übertragung der Winkelstellungen 18 und der Drehzahlen 24 aus den einzelnen Resolvern 20 an die Steuerelektroniken 16 und den Regler 26 kann in beliebiger Weise beispielsweise über einen an sich bekannten CAN-Bus oder über eine Zweidrahtleitung mittels einer an sich bekannten PSI5-Schnittstelle erfolgen, die in an sich bekannter Weise aus eine mehrkanalige Datenübertragung über eine Zweidrahtleitung erlaubt.
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Neben der Verwendung der Drehzahlen 24 der einzelnen Resolver 20 in einer zuvor beschriebenen Fahrdynamikregelung, werden die Drehzahlen 24 auch für andere Anwendungen eingesetzt. Eine dieser Anwendungen ist beispielsweise die Bestimmung der Übergrundgeschwindigkeit des Fahrzeuges 2. Diese kann dann dem Fahrer angezeigt oder zu regelungstechnischen Zwecken, beispielsweise beim automatischen Einparken des Fahrzeuges 2 in eine Parklücke verwendet werden.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht einer der Resolver 20 in der Fahrdynamikregelung der 1 zeigt.
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Der Resolver 20 umfasst in der vorliegenden Ausführung eine drehfest am Rad 6 befestigte Encodersscheibe 34 und zwei ortsfest zum Chassis 4 befestige Messaufnehmer in Form eines ersten Lesekopfes 36 und eines dazu lageversetzten zweiten Lesekopfes 38.
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Die Encoderscheibe 34 besteht in der vorliegenden Ausführung aus aneinandergereihten Magnetnordpolen 40 und Magnetsüdpolen 42, die gemeinsam ein Gebermagnetfeld 44 erregen, das der Übersichtlichkeit halber nur zwischen einem Polpaar aus einem Magnetnordpol 40 und einem Magnetsüdpol 42 angedeutet ist. Die Encoderscheibe 34 ist dabei an der oben genannten Welle 19 ortsfest befestigt und dreht damit gemeinsam mit der Welle 19. Folglich dreht sich das Gebermagnetfeld 44 in einer Drehrichtung 46 die über die Welle 19 vom Elektromotor 8 vorgegeben wird. Diesbezüglich sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass der zweite Lesekopf 38 gegenüber dem ersten Lesekopf 36 in der Drehrichtung 46 und damit in Umfangsrichtung der Welle 19 lageversetzt angeordnet ist.
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Die Leseköpfe 36, 38 können an sich beliebig aufgebaut sein, solange sie in der Lage sind, das Gebermagnetfeld 44 in Abhängigkeit der Drehung in die Drehrichtung 46 zu erfassen. Beispielsweise könnten die Leseköpfe 36, 38 magnetoresisitve Elemente umfassen, die ihrem magnetischen Widerstand in Abhängigkeit des Gebermagnetfeldes 44 verändern. Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll der Anschaulichkeit halber davon ausgegangen werden, dass die Leseköpfe 36, 38 aus Hall-Elementen ausgebaut sind, die das Gebermagnetfeld 44 in allen Raumrichtungen erfassen können. Derartige Hall-Elemente werden auch 3D-Hall-Elemente bezeichnet. Auf den detaillierten Aufbau eines der Leseköpfe soll an späterer Stelle näher eingegangen werden.
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Jeder Lesekopf
36,
38 liefert im Rahmen der vorliegenden Ausführung zwei periodische Gebersignale, auf deren Erzeugung an späterer Stelle näher eingegangen wird. Der erste Lesekopf
36 liefert dabei ein erstes periodisches Gebersignal
48 und ein zweites periodisches Gebersignal
50, während der zweite Lesekopf
38 ebenfalls ein erstes periodisches Gebersignal
52 und ein zweites periodisches Gebersignal
54 liefert. Basierend auf den periodischen Gebersignalen
48 bis
54, kann in einer noch zu beschreibenden Weise in einer den Leseköpfen
36,
38 nachgelagerten Signalaufbereitungsschaltung
56, ein Datensignal
58 generiert werden, das einerseits die oben genannte Winkelstellung
18 des Encoderrades
34 und damit der Welle
19 und andererseits die Drehzahl
24 des Encoderrades
34 und damit des über die Welle
19 angeschlossenen Rades
6 enthält. Die Erzeugung einer Drehzahl basierend auf einem sich drehenden Encoderrad ist an sich aus aktiven Drehzahlsensoren bekannt, weshalb zu weiterführenden Hintergrundinformation auf den einschlägigen Stand der Technik, wie beispielsweise die
DE 101 46 949 A1 oder die
WO 03 / 087 845 A2 verwiesen wird.
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Nachstehend soll anhand von 3 beispielhaft die Funktionsweise des ersten Lesekopfes 36 erläutert werden. Der zweite Lesekopf 38 kann analog zum ersten Lesekopf 36 aufgebaut sein. Es ist aber prinzipiell auch möglich zwischen den beiden Leseköpfen 36, 38 verschiedene Technologien zu mischen.
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Der in 3 dargestellte Lesekopf 36 umfasst eine erste Brückenschaltung 60 und eine zweite Brückenschaltung 62. Derartige Brückenschaltungen werden auch H-Schaltung, H-Brücke oder Vollbrücke genannt.
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In den Zweigen der ersten Brückenschaltung 60 sind im Rahmen der vorliegenden Ausführung erste magnetische Messaufnehmer 64 in Form der oben genannten Hall-Elemente verschalten, während in der zweiten Brückenschaltung 62 zweite magnetische Messaufnehmer 66 ebenfalls in Form der oben genannten Hall-Elemente verschalten sind. Dabei sind die beiden Brückenschaltungen identisch aufgebaut, wobei die erste Brückenschaltung 60 zur zweiten Brückenschaltung 62 in einem vorbestimmten Winkel 68 angeordnet ist, der im Rahmen der vorliegenden Ausführung 90° beträgt.
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Die in 3 gezeigten Brückenschaltungen 60, 62 geben das erste und zweite periodische Gebersignal 48, 50 in Form von Spannungen ab, die eine Überlagerung der einzelnen Hall-Spannungen aus den als Hall-Elemente ausgeführten magnetischen Messaufnehmern 64, 66 sind. Das erste periodische Gebersignal 48 weist aufgrund der um den vorbestimmten Winkel 68 versetzten Anordnung der ersten Brückenschaltung 60 zur zweiten Brückenschaltung 62 einen in 4 angedeuteten Phasenunterschied 70 auf, der im Falle einer identischen Ausführung der beiden Brückenschaltungen 60, 62 und dem vorbestimmten Winkel 68 von 90° einen Wert von 45° aufweist.
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Ferner ist der zweite Lesekopf 38 besonders bevorzugt in der gleichen Weise aufgebaut, wie der erste Lesekopf 36 und in Umfangsrichtung der Welle 19 so angeordnet, dass das erste periodische Gebersignal 52 zwischen den beiden periodischen Gebersignalen 48, 50 des ersten Lesekopfes 36 ausgegeben wird, und zwar mit einem Phasenunterschied 72 von 45° zum ersten periodischen Gebersignal 48 des ersten Lesekopfes. Auf diese Weise werden einzelnen periodischen Gebersignale 48 bis 54 angefangen vom ersten periodischen Gebersignal 48 des ersten Lesekopfes 36 bis zum zweiten periodischen Gebersignal 54 des zweiten Lesekopfes 38 untereinander mit demselben Phasenunterschied 72 von 45° ausgegeben. In der Folge erzeugen die einzelnen periodischen Gebersignale 48 bis 54 Nulldurchgänge 74, die durch die besondere Wahl der zuvor genannten Phasenunterschiede 70, 72 von entsprechend 90° und 45° äquidistant zueinander angeordnet sind. Dies ist in 4 dargestellt.
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Nachstehend sollen anhand von 4 und 5 die Erzeugung der Winkelstellung 18 und der Drehzahl 24 in der Signalverarbeitungsschaltung 56 des Resolvers 10 der 2 erläutert werden. Dazu sind in 4 die zuvor genannten periodischen Gebersignale 48 bis 54 in einem Diagramm 76 aufgetragen, das die Signalwerte 78 der periodischen Gebersignale 48 bis 54 über die Zeit 80 widergibt.
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In Fahrzeugen, wie dem Fahrzeug 2 sollten sicherheitsrelevante Bauteile, deren Ausfall während der Fahrt mit dem Fahrzeug 2 verkehrsgefährdend sein könnte, redundant vorhanden sein. Fällt beispielsweise die Ausgabe der Winkelstellung 18 durch den Resolver 10 aus, so fällt prinzipbedingt der gesamte Elektromotor 8 aus. Dadurch würde das Fahrzeug 2 an einem Rad 6 nicht mehr angetrieben werden, wodurch das Fahrzeug 2 anfangen würde zu gieren, was sich für einen Fahrer schnell als unbeherrschbare Situation herausstellen könnte. Daher muss sichergestellt sein, dass alle Elektromotoren 8 auch beim Ausfall eines Lesekopfes 36, 38 in den Resolvern 10 stets weiterfunktionieren können, weshalb die Leseköpfe 36, 38 redundant ausgelegt werden sollten.
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Anders verhält es sich bei der Erfassung der Drehzahl 24. Fällt diese aus, ist der Fahrer des Fahrzeug 2 nicht unmittelbar einer unbeherrschbaren Situation ausgesetzt, weil beispielsweise die oben genannte, die Drehzahl 24 verarbeitende Fahrdynamikregelung nicht ständig in das Fahrzeug eingreift. Fällt daher die Erfassung der Drehzahl 24 aus, so kann beispielsweise der Fahrer des Fahrzeuges 2 auf den damit verbundenen Ausfall der Fahrdynamikregelung aufmerksam gemacht werden, damit er gegebenenfalls seine Fahrweise anpasst. Daher braucht die Erfassung der Drehzahl 24 nicht unbedingt redundant ausgelegt werden.
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Hier greift der angegebene Resolver 10 an. Im Normalfall wird in einer Encoderscheibe eines Resolver, wie der Encoderscheibe 34 des Resolvers 10 die Anzahl der Polpaare aus Magnetnordpolen 40 und Magnetsüdpolen 42 gleich der Anzahl der Polpaare des Elektromotors 8 gewählt. Dies ist jedoch für eine Encoderscheibe eines Drehzahlsensors in einem Fahrzeug, wie dem Fahrzeug 2 deutlich zu gering. Da in einem Fahrzeug die Leseköpfe 36, 38 ohnehin redundant ausgelegt werden sollten, können die für die Erfassung der Drehzahl 24 fehlenden Polpaare über die redundanten Leseköpfe 36, 38 aufgefangen werden. Im Rahmen der vorliegenden Ausführung sind zwar zwei Leseköpfe 36, 38 vorgesehen, ihre Zahl kann jedoch auch deutlich höher gewählt werden, um die Anforderungen an eine Encoderscheibe für einen Drehzahlsensor in dem angegebenen Encoder zu kompensieren.
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Zur Bestimmung der Winkelstellung 18 der Welle 19 werden die periodischen Gebersignale 48, 50 des ersten Lesekopfes 36 einer Winkelberechnungseinrichtung 82 zugeführt. Fällt der erste Lesekopf 36 aus, so können der Winkelberechnungseinrichtung 82 unter Verwendung an sich bekannter und nicht weiter dargestellter Sicherungsmaßnahmen die periodischen Signale 52, 54 aus dem zweiten Lesekopf 38 zugeführt werden. Die Winkelberechnungseinrichtung 82 bestimmt dann unter Verwendung bekannter Algorithmen die Winkelstellung 18 der Encoderscheibe 34 und damit der Welle 19 basierend auf den beiden periodischen Gebersignalen 48, 50 aus dem ersten Lesekopf 36. Da die beiden periodischen Gebersignale 48, 50 prinzipbedingt beide sinusförmig und 90° voneinander beabstandet sind – und somit komplementär zueinander verlaufen, kann die Winkelstellung 18 der Welle 19 unmittelbar durch Bildung des sich durch Dividieren der beiden periodischen Gebersignalen 48, 50 aus dem ersten Lesekopf 36 ergebenden Tangenswertes der Winkelstellung 18 und anschließender Anwendung des Arcustangens darauf berechnet werden. Im Rahmen dieses Verfahrens kann die Winkelstellung 18 der Welle über ein halbes Polpaar aus einem Magnetnordpol 40 und einem Magnetsüdpol 42 des Encoderrades 34 berechnet werden. Um die Winkelstellung 18 der Welle über ein ganzes Polpaar aus einem Magnetnordpol 40 und einem Magnetsüdpol 42 des Encoderrades 34 zu bestimmen kann die an sich bekannte artan2-Funktion, auch Arcustangens2-Funktion genannt, verwendet werden, auf deren genauen Aufbau der Kürze halber nicht näher eingegangen werden soll.
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Zum Bestimmen der Drehzahl 24 können Komparatoren 84 in Form von Schmitt-Triggern verwendet werden, die zwei in 4 gezeigte Hysterese-Schaltschwellen 86 besitzen. Jedes Mal, wenn eine der der periodischen Gebersignale 48 bis 54 eine der Hysterese-Schaltschwellen 86 in an sich bekannter Weise in einer vorbestimmten Richtung kreuzt, dann wird ein Drehzahlpuls 88 ausgelöst. Die Summe aller Drehzahlpulse 88 wird dann in einem Oder-Glied 90 zu einem Pulssignal zusammengeführt, dass dann mit seiner Anzahl an Pulsen über die Zeit 80 die zu erfassende Drehzahl 24 repräsentiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0479525 A2 [0002]
- DE 102011080789 A1 [0034]
- DE 10146949 A1 [0047]
- WO 03/087845 A2 [0047]
