DE102014212971A1

DE102014212971A1 - Winkelgebereinheit für einen induktiven Winkelsensor mit einen Referenzschwingkreis

Info

Publication number: DE102014212971A1
Application number: DE102014212971.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Brüggemann; Andreas Schirling; Ulrich Stählin
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-01-07
Also published as: CN106687769A; WO2016001193A1; KR20170012545A; EP3164676A1

Abstract

Winkelgebereinheit (1) für einen induktiven Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements, wobei die Winkelgebereinheit mit einem rotierenden Element verbindbar ist und mindestens einen ersten Schwingkreis (10) aufweist, die mit mindestens einer Empfängerspule (20, 21) des Sensors zusammenwirkt, um den Winkel des rotierenden Elements vorzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgebereinheit (1) zusätzlich zu dem ersten Schwingkreis (10) mindestens einen weiteren eindeutig identifizierbaren Referenzschwingkreis (11) aufweist, um eine Bezugsposition auf der Winkelgebereinheit (1) zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkelgebereinheit für einen induktiven Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements.
Aus der EP 1 828 722 B1 ist ein induktiver Positionsdetektor mit einer ersten induktiven Einrichtung und einer zweiten induktiven Einrichtung bekannt, wobei die erste induktive Einrichtung einen passiven Resonanzkreis umfasst und die zweite induktive Einrichtung die Messstrecke definiert und mindestens zwei Empfangswindungen umfasst. Die zweite induktive Einrichtung ist so konfiguriert, dass sie im Gebrauch einen Wechselstrom in dem passiven Resonanzkreis induziert, sodass der in dem passiven Resonanzkreis induzierte Wechselstrom infolge der gegenseitigen Induktivität zwischen den Empfangswindungen und dem passiven Resonanzkreis ein Wechselsignal in jeder Empfangswindung induziert, wobei diese Signale bezeichnend sind für die Position der ersten induktiven Einrichtung auf der Messstrecke.
Weitere Ausgestaltungen von induktiven Sensoren sind aus den Anmeldungen DE 10 2013 225 918.2 , DE10 2013 225 874.7 , DE 10 2013 225 897.6 , DE 10 2013 225 873.9 und DE 10 2013 225 921.2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Winkelgebereinheit für einen induktiven Sensor und einen induktiven Sensor aufzuzeigen, womit eine absolute Winkelmessung innerhalb von 360° auf eine einfache Weise erreichbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mittels einer Winkelgebereinheit mit den Merkmalen aus Anspruch 1. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Der Erfindung liegt der Grundgedanke zu Grunde mittels eines zusätzlichen Referenzschwingkreises eine eindeutige Bezugsposition bzw. einen eindeutigen Bezugspunkt auf der Winkelgebereinheit zu schaffen. Der erste Schwingkreis wirkt mit einer Empfangsspule des Sensors derart zusammen, so dass Drehwinkel zwar präzise, jedoch nur relativ, erfassbar ist. Dieser reicht jedoch nicht aus, um den Drehwinkel in Bezug auf eine oder mehreren vollen Umdrehungen eindeutig zu bestimmen. Aus der Information des relativen Winkels im Bezug auf die eindeutige Bezugsposition kann die Winkellage über eine volle Umdrehung eindeutig festgestellt werden. Der Vorteil der Erfindung liegt dabei insbesondere darin, dass die Wirkungsweise des Referenzschwingkreises sich mit dem des ersten Schwingkreises deckt und somit sensorseitig keine zusätzlichen Elemente sind zur Detektion des Referenzschwingkreis notwendig sind. Auf diese Weise kann relativ einfach ein Bezugspunkt auf der Winkelgebereinheit geschaffen werden.
Zur Unterscheidung zwischen dem ersten Schwingkreis und dem Referenzschwingkreis ist es jedoch notwendig, dass der Referenzschwingkreis beim überfahren des Sensors bzw. der Empfangsspule oder Empfangsspulen eine Änderung in der Messung herbeiführt, die von den Messungen zu unterscheiden ist, wenn der Referenzschwingkreis nicht mit der Empfangsspule zusammenwirkt. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn der Referenzschwingkreis nur eine punktuelle Wirkung auf die Messung hat. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Referenzschwingkreis am Sensor bzw. an der Empfangsspule eine punktuelle und ausgeprägte Spannungsamplitude hervorruft. Dies kann entweder durch die Formgebung des Referenzschwingkreises oder die Auslegung der einzelnen Parameter der Komponenten des Referenzschwingkreises erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der erste Schwingkreis und der Referenzschwingkreis jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, wobei sich die Eigenfrequenz des Referenzschwingkreises sich von dem des ersten Schwingkreises unterscheidet. Der Referenzschwingkreis kann auf diese Weise besonders einfach von dem ersten Schwingkreis unterschieden werden.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der erste Schwingkreis und der Referenzschwingkreis auf einem Trägerkörper angeordnet sind, wobei der Referenzschwingkreis und der erste Schwingkreis ineinander verschachtelt oder auf dem Trägerkörper angeordnet sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Erkennung des ersten Schwingkreises und des Referenz Schwingkreises zuverlässig funktioniert. Es bedarf keiner gesonderten Anpassung der Empfangsspule, um den Referenzschwingkreis zu erfassen. Ferner ist auf diese Weise eine besonders Platz sparende Anordnung der Schwingkreise möglich.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass die Winkelgebereinheit mehrere Referenzschwingkreise aufweist. Auf diese Weise kann eine Unterscheidung von Kreissegmenten durchgeführt werden, die ihr nach Anwendungsfall vorteilhaft sein können.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass mindestens einer der Referenzschwingkreise eine eindeutige Eigenfrequenz aufweist. Auf diese Weise wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die Referenzschwingkreise voneinander unterscheidbar sind. Da sich die Position der Referenzschwingkreise auf der Winkelgebereinheit nicht ändert, ist es ausreichend einen der vielen Referenzschwingkreise eindeutig zu identifizieren, um einen Rückschluss auf die weiteren Referenzschwingkreise schließen zu können. Referenzschwingkreise mit identischen Eigenfrequenzen können beispielsweise anhand der Zählung der Referenzschwingkreise in Bezug auf den eindeutigen Referenzschwingkreis eindeutig identifiziert werden.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass die Referenzschwingkreise gleichmäßig beabstandet entlang der Bewegungstrajektorie der Winkelgebereinheit angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass mehrere Referenzschwingkreise im Abstand von 45°, 90° oder 180° zueinander beabstandet sind.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der Referenzschwingkreis eine Leiterbahn und einen Kondensator umfasst.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass die Eigenfrequenz des Referenzschwingkreises mittels der Formgebung der Leiterbahn und / oder mittels der Kapazität des Kondensators definiert ist.
Die erfindungsgemäße Winkelgebereinheit wird dadurch in vorteilhafter Weise weitergebildet, dass der Referenzschwingkreis sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckend ausgebildet ist. Durch die in Umfangsrichtung sehr schmale Ausbildung des Referenzschwingkreises bzw. dessen schlitzartige Form ist es möglich den Durchgang des Bezugspunktes bzw. des Referenz Schwingkreises über die Empfangsspule besonders deutlich zu erkennen. Insbesondere ist es vorteilhaft den Referenzschwingkreis derart zu gestalten, dass die durch den Referenzschwingkreis in der Empfangsspule hervorgerufene Spannungsspitze besonders deutlich ausfällt und die Erkennung des Referenz Schwingkreises dadurch zuverlässig möglich ist. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, den Referenzschwingkreis über eine gewisse Breite entlang des Umfangs auszubilden, um beispielsweise möglichst früh zu erkennen, ob man sich im Bereich des Nulldurchgangs befindet. Es ist daher je nach Anwendungsfall zu unterscheiden, welcher dieser beiden Varianten vorteilhaft ist.
Die Aufgabe wird ferner gelöst gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung mittels eines Sensors mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Hauptanspruchs. Ergänzend zu den Merkmalen der Winkelgebereinheit ist ein Sensor besonders vorteilhaft, der sich die Möglichkeiten der Winkelgebereinheit zu Nutze macht.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in Vorteilhafter weise weitergebildet, dass eine Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass aus der Position des ersten Schwingkreises und des Referenzschwingkreises der Absolutwinkel der Winkelgebereinheit ermittelbar ist.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in Vorteilhafter weise weitergebildet, dass mittels der Auswerteeinheit die Rotationsgeschwindigkeit der Winkelgebereinheit ermittelbar ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft mehrere Referenzschwingkreise zu verwenden. Insbesondere ist es bevorzugt, die Referenzschwingkreise in einem gleichmäßigen Abstand zueinander anzuordnen. Der Sensor kann auf diese Weise als Winkelsensor und zugleich als Drehwinkelgeschwindigkeitsensor verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Sensor wird dadurch in Vorteilhafter weise weitergebildet, dass der Referenzschwingkreis als Nulldurchgang der Winkelgebereinheit definiert ist.
Die Aufgabe wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Winkelgebereinheit, und
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors.
1 zeigt wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Winkelgebereinheit 1 für einen induktiven Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements. Die Winkelgebereinheit weist einen ersten Schwingkreis 10 auf. Zusätzlich zu dem ersten Schwingkreis 10 weist die Winkelgebereinheit mindestens einen weiteren eindeutig identifizierbaren Referenzschwingkreis 11 auf, um eine Bezugsposition auf der Winkelgebereinheit zu bilden. Der erste Schwingkreis 10 sowie der Referenzschwingkreis 11 umfassen eine Leiterbahn und einen Kondensator und bilden einen elektrischen Schwingkreis mit einer induktiven und einem kapazitiven Element. Der Aufbau des ersten Schwingkreises 10 und des Referenzschwingkreises 11 sind somit prinzipiell identisch.
Nicht in den Figuren gezeigt ist der Trägerkörper, auf dem die Schwingkreise 10, 11 angeordnet sind. Der Trägerkörper kann beispielsweise eine Leiterplatine sein auf dem die Schwingkreise 10, 11 aufgedruckt oder anderweitig aufgebracht sind. Der Trägerkörper wiederum kann auf unterschiedliche Weise mit einem rotierenden Element, zum Beispiel eine Welle, verbunden sein. Der Aufbau des Trägerkörpers und des rotierenden Elements sind jedoch nicht erfindungswesentlich und sind an die Anforderungen der jeweiligen Anwendungsfälle anzupassen.
2 zeigt eine Erregerspule 30 und zwei Empfangsspulen 20, 21. Die Erregerspule 30 ist kreisförmig um die Empfangsspulen 20, 21 angeordnet und wird mit einer Wechselspannung U~ versorgt. Die Empfangsspulen 20, 21 sind aus einer Leiterbahn ausgebildet, die mehrere im Wesentlichen mehrere quadratisch geformte in einer Kreuzform zueinander angeordnete Abschnitte bilden. Die Empfangsspulen 20, 21 sind dabei jeweils um vorzugsweise 45° um den Mittelpunkt 2 zueinander verdreht, um eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsspannungen der Empfangsspulen zu erreichen. Aufgrund der Wechselspannung U~ entsteht ein Erregerfeld um die Erregerspule 30, das wiederum in den Empfangsspulen 20, 21 jeweils eine Ausgangsspannung induziert. Die Wirkungsweise des Sensors umfassend die Schwingkreise 10, 11 und die Spulen 20, 21, 30 sind hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Ferner ist die Winkelgebereinheit 1 auch mit anderen Konfigurationen der Erreger- und Empfangsspulen 20, 21, 30 verwendbar.
Die Erreger- und Empfangsspulen 30, 20, 21 sind auf einem anderen zweiten Trägerkörper angeordnet, der gegenüber dem Trägerkörper der Winkelgebereinheit angeordnet ist, so dass sich die Schwingkreise 10, 11 und die Spulen 30, 20, 21 kongruent bzw. überlappend zueinander positioniert sind, vergleichbar mit sich zwei überlappenden Scheiben. Idealerweise sollten die Mittelpunkte 2 der beiden Trägerkörper auf einer Drehachse liegen.
Um den ersten Schwingkreis 10 von dem Referenzschwingkreis 11 signaltechnisch unterscheiden zu können, weist der Referenzschwingkreis 11 eine eigene Frequenz auf, die sich von dem des ersten Schwingkreises 10 unterscheidet. Der Referenzschwingkreis 11 weist eine deutlich geringere Breite auf als der erste Schwingkreis 10. Auch die Höhe des Referenzschwingkreises 11 ist weitaus geringer als die des ersten Schwingkreises 10. Des Weiteren ist der Referenzschwingkreis 11 an einer der Kopfseiten des ersten Schwingkreises 10 angeordnet. Aufgrund der eigenen eigene Frequenz des Referenzschwingkreises 11, der geringeren Abmessungen mit der beschränkten Ausdehnung bzw. Abmessungen sowie der Anordnung an einer Position ist der Wirkungsbereich des Referenzschwingkreises 11 auf die Empfangsspulen beschränkt und kann einfach identifiziert werden. Der Referenzschwingkreis erzeugt eine erkennbare Spannungsänderung in der Ausgangsspannung der Empfangsspulen 20, 21, wenn dieser Bereich die Empfangsspulen 20, 21 überstreift bzw. überfährt als wenn die gegenüberliegende Kopfseite des ersten Schwingkreises, wo kein Referenzschwingkreis vorhanden ist, über die Empfangsspulen erfährt. Es ist nicht zwingend notwendig, dass der Referenzschwingkreis 11 an einer Kopfseite des ersten Schwingkreises angeordnet ist. Je nach der Form des Trägerkörpers der Winkelgebereinheit 1 aber auch der Form der Empfangsspulen 20, 21 kann der Referenzschwingkreis 11 an einer anderen Position angeordnet sein, wo es mit den Empfangsspulen 20, 21 zusammenwirken kann. Es reicht beispielsweise aus, dass der Referenzschwingkreis 11 derart positioniert ist, so dass es ungefähr mit dem Randbereich der Empfangsspulen 20, 21 überschneidet, wie beispielhaft in 2 dargestellt.
Es ist denkbar, dass der erste Schwingkreis 10 und der Referenzschwingkreis 11 ineinander verschachtelt angeordnet sind. Eine solche Anordnung kann dabei von der Gestaltung der Empfangsspulen abhängig gemacht werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft den Referenzschwingkreis schlitzartig auszubilden, so dass es sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt. Eine weitere hier nicht gezeigte Konfiguration der Winkelgebereinheit sieht mehrere Referenzschwingkreise vor. Vorzugsweise sollte mindestens einer der Referenzschwingkreise eine eindeutige Eigenfrequenz aufweisen, die sich von denen der anderen Referenzschwingkreise unterscheidet. Dies kann bspw. durch eine unterschiedliche Formgebung der Leiterbahn oder durch eine unterschiedliche Wahl des Kondensators erfolgen. Die Referenzschwingkreise können hierbei gleichmäßig beabstandet entlang der Bewegungstrajektorie, entlang einer Umfangslinie, der Winkelgebereinheit angeordnet sein. Vorteilhaft ist ein Abstand von 45°, 90° oder 180° zwischen den Referenzschwingkreisen.
Die durch die Referenzschwingkreise erzeugten Spannungsänderungen bzw. -differenzen der Ausgangsspannungen können durch eine Auswerteeinheit dazu verwendet werden, um den relativen Winkel des ersten Schwingkreises auf mindestens einen Referenzpunkt fest zu referenzieren. Aus der Information des relativen Winkels in Bezug auf den Referenzpunkt kann der Absolutwinkel der Winkelgebereinheit ermittelt werden. Dies ist besonders einfach zu erreichen, wenn in die Auswerteeinheit derart konfiguriert ist, dass ein Referenzschwingkreis als Nulldurchgang bzw. Nullpunkt definiert ist. Ferner ist es möglich mittels der Auswerteeinheit die Rotationsgeschwindigkeit der Winkelgebereinheit ermittelbar ist indem man die Zeitabstände zwischen zwei Messungen von Referenzpunkten misst. Die zu messende Geschwindigkeit ist umso genauer je mehr Referenzschwingkreise vorhanden sind und die Zeitabstände zwischen den Messungen der Referenzpunkte geringer werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1828722 B1 [0002]
DE 102013225918 [0003]
DE 102013225874 [0003]
DE 102013225897 [0003]
DE 102013225873 [0003]
DE 102013225921 [0003]

Claims

Winkelgebereinheit (1) für einen induktiven Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements, wobei die Winkelgebereinheit mit einem rotierenden Element verbindbar ist und mindestens einen ersten Schwingkreis (10) aufweist, die mit mindestens einer Empfängerspule (20, 21) des Sensors zusammenwirkt, um den Winkel des rotierenden Elements vorzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgebereinheit (1) zusätzlich zu dem ersten Schwingkreis (10) mindestens einen weiteren eindeutig identifizierbaren Referenzschwingkreis (11) aufweist, um eine Bezugsposition auf der Winkelgebereinheit (1) zu bilden.
Winkelgebereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingkreis (10) und der Referenzschwingkreis (11) jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, wobei sich die Eigenfrequenz des Referenzschwingkreises (11) sich von dem des ersten Schwingkreises (10) unterscheidet.
Winkelgebereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingkreis (10) und der Referenzschwingkreis (11) auf einem Trägerkörper angeordnet sind, wobei der Referenzschwingkreis (11) und der erste Schwingkreis (10) ineinander verschachtelt auf dem Trägerkörper angeordnet sind.
Winkelgebereinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgebereinheit (1) mehrere Referenzschwingkreise (10) aufweist.
Winkelgebereinheit (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Referenzschwingkreise (10) eine eindeutige Eigenfrequenz aufweist.
Winkelgebereinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschwingkreise (11) gleichmäßig beabstandet entlang der Bewegungstrajektorie der Winkelgebereinheit angeordnet sind.
Winkelgebereinheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Referenzschwingkreise (11) im Abstand von 45°, 90° oder 180° zueinander beabstandet sind.
Winkelgebereinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzschwingkreis (11) eine Leiterbahn (L) und einen Kondensator (C) umfasst.
Winkelgebereinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des Referenzschwingkreises (11) mittels der Formgebung der Leiterbahn und / oder mittels der Kapazität des Kondensators definiert ist.
Winkelgebereinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzschwingkreis (11) sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckend ausgebildet ist.
Sensor zum Erfassen der Position eines rotierenden Elements aufweisend: – eine Erregerspule (30), welche mit einer Wechselspannung (U~) versorgt wird, um ein zur Wechselspannung (U~) korrespondierendes Erregerfeld zu erzeugen, – mindestens eine Empfangsspule (20, 21), die mit der Erregerspule derart gekoppelt ist, so dass das Erregerfeld in der Empfangsspule (20, 21) jeweils eine Spannung induziert, und – eine Winkelgebereinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Sensor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass aus der Position des ersten Schwingkreises (10) und des Referenzschwingkreises (11) der Absolutwinkel der Winkelgebereinheit (1) ermittelbar ist.
Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit die Rotationsgeschwindigkeit der Winkelgebereinheit (1) ermittelbar ist.
Sensor nach einem vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzschwingkreis (11) als Nulldurchgang der Winkelgebereinheit definiert ist.