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Die Erfindung betrifft eine Drehzahlsensorvorrichtung, für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Geberelement, das ein magnetisches Feld erzeugt und einem Geberelement zugeordnet/zuordenbar ist, und mit wenigstens einem ortsfesten, das Magnetfeld detektierenden Sensorelement.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Drehzahlsensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Drehzahlsensorvorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Drehzahlsensoren erfassen mittels magnetischer Messprinzipien Polübergänge beziehungsweise den Wechsel von Magnetflüssen/Magnetfeldern eines Geberelements, wie beispielsweise eines Geberrings, der eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist. Ein derartiger Geberring wird auch Encoder genannt. Zusätzlich wird bei sogenannten intelligenten Sensoren die relative Drehrichtung des Geberelements detektiert und zusätzlich zur Drehzahlinformation entweder mit einem PWM-Protokoll (PWM = Pulsweitenmodulation) oder mit einem Manchester-kodierten Protokoll übertragen.
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Aufgrund von steigenden Anforderungen, wie zum Beispiel automatischen Parkpiloten, ist es notwendig, die Drehrichtung des Fahrzeugs sehr früh und zuverlässig bestimmen zu können. Bisher sind drei maßgebliche Verfahren zum Detektieren der Drehrichtung bekannt. Es ist bekannt, zwischen zwei Sensoren einen dritten Sensor anzuordnen, mit dessen Hilfe die Drehrichtung dadurch erkannt wird, dass zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Differenzsignals der äußeren Sensoren anhand der Polarität des mittleren Sensors die Drehrichtung bestimmt wird. Bei einem weiteren Verfahren mit drei räumlich getrennten Sensorelementen wird die Abfolge von Nulldurchgängen der einzelnen Sensorelemente überwacht und daraus auf die Drehrichtung geschlossen. Bei einem dritten Verfahren mit nicht-differenziellen Sensoren, welche typischerweise in Brückenform angeordnet sind, wird aus den Brückensignalen ein Differenzsignal sowie ein Summensignal gebildet, um die Drehrichtung zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Drehzahlsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine Drehrichtung des Geberelements sicher nach dem ersten magnetischen Nulldurchgang erkannt wird. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei Sensorelemente, die dazu ausgebildet sind, das magnetische Feld zu erfassen, in Drehrichtung des Drehelements hintereinander angeordnet sind und aneinander anliegen. Dadurch dass die Sensorelemente aneinander anliegen ist es anhand der Phasenverschiebung der von den Sensorelementen erfassten Magnetfelder und der dadurch erzeugten Ausgangssignale der Sensorelemente einfach möglich, die relative Drehrichtung des Geberelements mit dem ersten Flankenwechsel im Ausgangssignal beider Sensorelemente zu bestimmen. Darüber hinaus entsteht hierdurch eine Redundanz der erfassten Drehzahl mit dem Vorteil, dass auch bei Ausfall eines Sensorelements immer noch die sicherheitsrelevanten Funktionen der Drehzahlerkennung gewährleistet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Geberelement als Geberring mit einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgebildet ist, die alternierend magnetisiert sind. Dadurch ergeben sich abwechselnde Magnetflussrichtungen, die von den Sensorelementen während der Drehung des Drehelements nacheinander erfasst und ausgewertet werden.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen den zwei Sensorelementen kleiner ist als der Abstand von zwei benachbarten Permanentmagneten des Geberrings gleicher magnetischer Orientierung. Dadurch ist gewährleistet, dass die Flankenwechsel der Sensorelemente, die von demselben Magnetfluss beziehungsweise von demselben Permanentmagneten des Geberrings ausgelöst werden, kurz hintereinander folgen und zur Drehrichtungserkennung genutzt werden können. Somit wird dadurch ausgeschlossen, dass die aufeinanderfolgenden Flankenwechsel durch zwei unterschiedliche Permanentmagnete erzeugt werden, was zu einer falschen Drehrichtungsinformation führen könnte.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensorelemente aneinander angeklebt sind. Hierdurch kann eine besonders kompakte Sensoreinheit durch die zwei Sensorelemente gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich sind die Sensorelemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Sensorelemente zusammen durch eine Umspritzung eingehaust sind, um eine kompakte und stabile Einheit zu bilden. Auch können die zwei Sensorelemente auf einem gemeinsamen Siliciumchip integriert sein.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensorelemente als Hall-Sensoren ausgebildet sind. Hall-Sensoren stellen Massenware dar, die kostengünstig auch bereits bei Drehzahlsensorvorrichtungen verwendet werden. Bei der vorliegenden Drehzahlvorrichtung bietet sich die Ausbildung der Sensorelemente als Hall-Sensoren ebenso an. Alternativ können die Sensorelemente auch von anderen Sensortypen gebildet werden, bevorzugt ist, dass die verwendeten Sensoren sofort nach Inbetriebnahme die Polarität der magnetischen Felder des Geberelements erfassen können. So können beispielsweise auch magnetoresistive Elemente verwendet werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehzahlsensorvorrichtung eine Drehrichtungserkennungseinrichtung aufweist, die in Abhängigkeit von einem Signalverlauf der Sensorelemente auf eine Drehrichtung des Geberelements erkennt. Die Drehrichtungserkennungseinheit führt insbesondere das zuvor bereits beschriebene Verfahren durch, bei welchem die Flankenwechsel der Sensorsignale miteinander verglichen werden, um auf die Drehrichtung zu erkennen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drehrichtungserkennungseinrichtung prüft, welcher Sensor zuerst den Flankenwechsel beziehungsweise Magnetflussrichtungswechsel und welcher Sensor anschließend denselben Flankenwechsel erfasst. Der Sensor, der zuerst den Flankenwechsel erfasst, liegt dann in Drehrichtung vorne, sodass einfach auf die Drehrichtung geschlossen werden kann. Bevorzugt wird der Abstand der beiden Flankenwechsel zueinander überwacht und insbesondere mit einem vorgebbaren Zeitfenster verglichen. Sind die Flankenwechsel zu weit beabstandet voneinander, so wird die Drehrichtungserfassung abgebrochen oder nicht zu Ende geführt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehrichtungserkennungseinrichtung den beiden Sensorelementen oder einer Steuereinheit zugeordnet ist. Es ist also vorgesehen, dass die Drehrichtungserkennungseinrichtung entweder eine Baueinheit mit den Sensorelementen bildet oder in eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs integriert ist. Bei der Steuereinheit kann es sich beispielsweise um ein Motorsteuergerät oder dergleichen handeln.
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Besonders bevorzugt bilden die zwei Sensorelemente eine Sensoreinheit, insbesondere zusammen mit der Drehrichtungserkennungseinrichtung. Insbesondere durch die Anordnung der zwei Sensorelemente in einem gemeinsamen Gehäuse, wie zuvor bereits beschrieben, bildet die Sensoreinheit eine einfach handhabbare Sensoreinheit. Optional ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit ebenfalls die Drehrichtungserkennungseinrichtung umfasst. Die Drehzahlsensorvorrichtung ist nicht auf die eine Sensoreinheit oder die zwei beschriebenen Sensorelemente beschränkt. Vielmehr ist bevorzugt vorgesehen, dass mindestens ein weiteres Sensorelement beabstandet zu den zwei Sensorelementen zur Drehzahlbestimmung angeordnet ist. Durch das weitere Sensorelement wird die Auflösung der Drehzahlinformation erhöht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drehzahlsensorvorrichtung mehrere der zuvor genannten Sensoreinheiten aufweist, die beabstandet zueinander angeordnet sind, um ein hochauflösendes Drehzahlsignal zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von den Signalverläufen der zwei Sensorelemente auf die Drehrichtung des Geberelements erkannt wird.
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Dabei wird wie zuvor bereits beschrieben vorgegangen. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie den Ansprüchen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine Drehzahlsensorvorrichtung eines Kraftfahrzeugs in einer vereinfachten Darstellung,
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2 einen beispielhaften Signalverlauf der Sensoreinrichtung, und
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3A und 3B Ausführungsvarianten der Drehzahlsensoreinrichtung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Drehzahlsensoreinrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug. Die Drehzahlsensorvorrichtung 1 ist beispielsweise einer elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs zugeordnet und dient dazu, eine aktuell Drehzahl einer Rotorwelle der elektrischen Antriebsmaschine zu überwachen, um eine korrekte Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine zu ermöglichen.
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Die Drehzahlsensorvorrichtung 1 weist dazu ein Geberrad 2 auf, auch Encoder genannt, das drehfest mit der Rotorwelle 3 der elektrischen Maschine verbunden ist. Das Geberrad 2 weist über seinen Umfang verteilt gleichmäßig angeordnet eine Vielzahl von Permanentmagneten 4 auf. Dabei sind die Permanentmagnete 4 derart ausgerichtet oder ausgebildet, dass ihre Magnetisierung über den Umfang des Geberrads 2 hinweg alterniert, sodass immer ein Permanentmagnet eine entgegengesetzte Magnetisierung zu den dazu benachbarten Permanentmagneten aufweist.
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Die Drehzahlsensorvorrichtung 1 weist weiterhin eine Sensoreinheit 5 auf, die dazu ausgebildet ist, die von den Permanentmagneten 4 erzeugen magnetischen Felder zu detektieren/zu erfassen. Die Sensoreinheit 5 ist dabei mit einer Steuereinheit 6 verbunden, die den von der Steuereinheit 5 in Abhängigkeit der Magnetfelder erzeugten Signalverlauf erfasst und auswertet, um eine Drehrichtung des Geberelements 2 und damit der elektrischen Antriebsmaschine zu ermitteln.
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Wie in 1 weiterhin ersichtlich, weist die Sensoreinheit 5 zwei Sensorelemente 7, 8 auf, die als Hall-Sensoren ausgebildet sind und direkt aneinander anliegen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Sensorelemente 7, 8 miteinander verklebt und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Bei der Drehzahlsensorvorrichtung 1 sind die Sensorelemente 7, 8 zweckmäßigerweise parallel zueinander ausgerichtet, sodass ihre magnetisch sensitiven Richtungen parallel zueinander ausgerichtet sind. Vorliegend ist dabei vorgesehen, dass die Sensorelemente 7, 8 einen Abstand zueinander aufweisen, der kleiner ist als die Breite einer der Permanentmagneten 4.
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2 zeigt einen Signalverlauf der Sensoreinheit 5. Dabei sind das Ausgangssignal S7 des ersten Sensorelements und das zweite Ausgangssignal S8 des zweiten Sensorelements 8 über die Zeit t aufgetragen. 2 zeigt beispielhaft das Startverhalten der elektrischen Maschine 1 und der durch die Sensoreinheit 5 erfassten Flankenwechsel der Magnetfelder bei unterschiedlichen Drehrichtungen des Geberelements 2. In einem ersten Abschnitt I ist zu erkennen, dass das Signal S7 dem Signal S8 vorauseilt. Mit Bezug auf 1 bedeutet dies, dass das Geberrad 2 im Uhrzeigersinn gemäß Pfeil 9 dreht. Nach einem Drehrichtungswechsel zum Zeitpunkt t0 eilt dann das Signal S7 dem Signal S8 hinter her, was anhand der Flankenwechsel in 2 gut zu erkennen ist. In diesem Fall dreht das Geberelement 2 entgegen dem Uhrzeigersinn, also nach links. Anhand dieser Phasenverschiebung ist es also möglich, die relative Drehrichtung des Geberelements 2 mit dem ersten Flankenwechsel beider Sensorelemente 7, 8 zu bestimmen. Somit kann besonders früh bereits die Drehrichtung des Geberelements 2 bestimmt werden.
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3A und 3B zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Drehzahlsensorvorrichtung 1 in schematischen Darstellungen, wobei aus 1 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass insofern auf oben stehende Beschreibung verwiesen wird.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von 3A ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit 5 von den Sensorelementen 7 und 8 sowie von einer Drehrichtungserkennungseinheit 10 gebildet wird. Die Drehrichtungserkennungseinheit 10 führt die oben genannte Logik der Flankenwechselüberwachung durch, sodass zusammen mit dem Drehzahlsignal auch ein Drehrichtungssignal von der Sensoreinheit 5 der Steuereinheit 6 zur Verfügung gestellt wird.
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3B zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei welchem die Drehrichtungserkennungseinheit 10 der Steuereinheit 6 zugeordnet ist, sodass erst von der Steuereinheit 6 die Drehrichtungserkennung durchgeführt wird.
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Zur Erhöhung der Drehzahlauflösung ist weiterhin vorgesehen, dass die Drehzahlsensorvorrichtung 1 ein weiteres Sensorelement 11 aufweist, das bevorzugt ebenfalls als Hall-Sensor ausgebildet und beabstandet zu der Sensoreinheit 5 angeordnet ist. Das weitere Sensorelement 11 ist zweckmäßigerweise ebenfalls mit der Steuereinheit 6 verbunden, sodass diese anhand der Signalverläufe der Sensorelemente 7, 8 und 11 sowohl die Drehrichtung als auch hochauflösend eine Drehzahl des Geberrads 2 bestimmt. Selbstverständlich können auch noch weitere Sensorelemente zum Erhöhen der Auflösung des Drehzahlsignals vorhanden sein.
