DE102016212173A1

DE102016212173A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse verdrehbaren Bauteils

Info

Publication number: DE102016212173A1
Application number: DE102016212173.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich; Paul Walden; Jürgen Gerhart
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Also published as: DE112017003411A5; WO2018006901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse (d) drehenden Bauteils (11) mit einem Magnetelement (12) mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors (14) mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse (d) angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements (12) zwei unterscheidbaren Halbbrückensignalen, wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale jeweils eine Umdrehung ermittelt wird. Um eine Winkelposition über jeweils eine Umdrehung durchgängig vorschlagen zu können, wird mittels eines gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors (15) die Winkelposition des Bauteils (11) in jeweils zwei Halbkreisen und mittels des Multiturnsensors (14) ermittelt, in welchem der Halbkreise die Ermittlung der Winkelposition erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils mit einem Magnetelement mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements zwei unterscheidbaren Halbbrückensignalen, wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale jeweils eine Umdrehung ermittelt wird.
Sogenannte Multiturnsensoren ermitteln eine absolute Anzahl eines um eine Drehachse drehenden Bauteils. Hierzu sind beispielsweise aus den Dokumenten WO 2015/038800 A1 , DE 10 2012 008 888 A1 und EP 2 549 237 A1 Multiturnsensoren bekannt, die auf Basis des GMR-Prinzips (Riesenmagnetowiderstand, giant magnetoresistance) arbeiten. Dies bedeutet, dass bei der Messung des Widerstands eines spiral- beziehungsweise schraubenförmig um eine Drehachse angeordneten elektrischen Leiters mit abwechselnd magnetisch und nicht magnetisch im Nanobereich ausgebildeten Abschnitten ein Unterschied des Widerstands bei der Magnetisierung durch ein im Bereich des Leiters verdrehten, an dem drehenden Bauteil aufgenommenen Magnetelement auftritt. Die einzelnen Widerstände werden dabei an Halbbrücken des Leiters ermittelt. Prinzipbedingt treten dabei pro Umdrehung zwei ununterscheidbare Signalzustände eines mittleren Widerstands auf, die sich mit einem Signalzustand hohen und niedrigen Zustands abwechseln, so dass eine Winkelauflösung über den Verdrehwinkel des Bauteils nur mit einer Auflösung von 360° ermittelt werden kann. Aus diesem Grund wird in den vorgenannten Dokumenten jeweils ein Multiturnsensor mit einem zusätzlichen Sensor, der den Verdrehwinkel absolut erfasst, kombiniert.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Rotors eines Elektromotors eines Kupplungsbetätigungssystems bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit einem Multiturnsensor. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein einfach durchzuführendes Verfahren zur Ermittlung der Umdrehungszahl und der Winkelposition eines drehenden Bauteils vorzuschlagen. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Umdrehungszahl eines drehenden Bauteils eines Kupplungsbetätigungssystems und ein Kupplungsbetätigungssystem mit diesen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 3 und 7 gelöst. Die von diesen Ansprüchen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der Ansprüche 1, 3, 7 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils. Die Umdrehungszahl wird mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors ermittelt, der eine Wechselwirkung mit einem an dem drehenden Bauteil angeordneten Magnetelement abhängig von dessen Verdrehung ausbildet. Hierzu weist der zumindest eine Multiturnsensor einen spiralförmig entlang der oder um die Drehachse angeordneten elektrischen Leiter auf. Abhängig von der Verdrehung des Magnetelements bildet der Multiturnsensor bezogen auf jeweils eine Umdrehung des Magnetelements zwei unterscheidbare, an jeweils einer Halbbrücke abgegriffene Halbbrückensignale aus, die beispielsweise ein Maximum eines Widerstands und ein Minimum eines Widerstands aufweisen. Aus der Folge von Maxima und Minima kann eine Umdrehung identifiziert werden.
Um aufgrund von Hysterese und/oder weiteren Unregelmäßigkeiten bedingte, nicht ausreichend mit dem Multiturnsensor ermittelbare Winkelpositionen zu ermitteln, wird mittels eines gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors die Winkelposition des Bauteils in jeweils zwei Halbkreisen, das heißt über einen Winkel von 180° ermittelt. Der Magnetsensor erzeugt dabei abhängig von einer Winkelstellung desselben oder eines weiteren, an dem drehenden Bauteil angeordneten Magnetelements ein gut aufgelöstes Widerstandssignal mit einem Maximum bei 90° über den gesamten Messbereich von 180°. Zur Ermittlung, in welchem Halbkreis sich eine Referenzposition des drehenden Bauteils befindet, also bei einer Winkelposition zwischen 0° und 179° oder 180° und 359° wird anhand der Widerstandssignale des Multiturnsensors ermittelt. Beispielsweise kann bei einem Maximum des erfassten Widerstands einer Halbbrücke die vom Magnetsensor ermittelte, zugehörige Winkelposition dem Bereich 0° bis 179° und bei einem Minimum des erfassten Widerstands einer Halbbrücke die vom Magnetsensor ermittelte, zugehörige Winkelposition dem Bereich 180° bis 359° zugeordnet werden oder umgekehrt.
Hierbei kann aufgrund der Eigenschaften des nach dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors aus den mittels der beiden Halbkreise ermittelten Winkelpositionen abhängig von dem ermittelten Halbbrückensignal eine über jeweils eine ganze Umdrehungszahl absolute Winkelposition des Bauteils ermittelt werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens weist zumindest einen Multiturnsensor und einen nach dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensor auf, welche um eine Drehachse angeordnet sind.
Hierbei können der Multiturnsensor und der Magnetsensor um die Drehachse hintereinander beispielsweise auf verschiedenen Platinen angeordnet sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Leiter des Multiturnsensors und des Magnetsensors auf einer einem Magnetelement des drehenden Bauteils benachbarten Platine angeordnet sind. Auf der Platine können weitere Auswerteelemente, beispielsweise Mikroprozessoren und dergleichen zur Erfassung der Messsignale der Leiter, Generatoren zur Erzeugung einer Hilfsspannung und dergleichen vorgesehen sein. Beispielsweise kann auf der Platine eine Steuerungs- und Verarbeitungsschaltung vorgesehen sein, so dass aus der Vorrichtung bereits standardisiert die Umdrehungszahl und die zugehörige Winkelposition ausgelesen werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung können Leiter des Magnetsensors und des Multiturnsensors mit entsprechend abgegriffenen Halbbrücken derart angeordnet sein, wobei Minima und Maxima der Signale der Halbbrücken und Maxima des Magnetsensors bei jeweils gleichen Winkelpositionen des Bauteils angeordnet sind.
Das vorgeschlagene Kupplungsbetätigungssystem enthält ein von einem Rotor eines Elektromotors über ein eine Rotation in eine Translation wandelndes Getriebe verlagertes Betätigungsglied, wobei an einem drehenden Bauteil die vorgeschlagene Vorrichtung angeordnet ist. Das Getriebe kann als Schneckengetriebe, Kugelumlaufgetriebe mit gegebenenfalls durch eine Feder gebildeten Gewindegängen, als Hebeleinrichtung eines Hebelaktors, als Kurbel- oder Koppelgetriebe oder dergleichen ausgebildet sein. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung an dem Rotor des Elektromotors als drehendes Bauteil angeordnet.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Diagramm zum Signalverhalten eines Multiturnsensors und eines gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors,
2 ein Diagramm einer Vorrichtung mit einem detailliert dargestellten Signalverhalten des Multiturnsensors
und
3 eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit einem Multiturnsensor und einem gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensor.
Die 1 zeigt das Diagramm 1 mit den beiden übereinander angeordneten Kurven 2, 3 der Spannung U_Out über den Verdrehwinkel eines um eine Drehachse drehenden Bauteils. Das drehende Bauteil weist ein Magnetelement auf, welches einen um die Drehachse drehenden Leiter magnetisch beeinflusst, so dass sich dessen Widerstand ändert. Die Kurve 2 zeigt dabei das Signalverhalten eines nach dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors. Aufgrund des anisotropen magnetoresistiven Effekts tritt durch das sich drehende Magnetelement eine winkelabhängige Magnetisierung im Leiter auf, die eine winkelabhängige Widerstandsänderung erzeugt, die zur Änderung der an den Leiter angelegten Spannung U_Out führt. Der Verdrehwinkel beziehungsweise die Winkelposition kann dabei über den gesamten Messbereich diskret und winkelaufgelöst erfasst werden. Allerdings ändert sich die Spannung U_Out prinzipbedingt in einer Phase von 180°, so dass die erfasste Winkelposition über eine ganze Umdrehung nicht eindeutig ist, sondern jedem erfassten Messwert zwei um 180° versetzte Winkelpositionen, beispielsweise 90° und 270° zugeordnet werden können.
Die Kurve 3 zeigt das Signalverhalten eines Multiturnsensors, der nach dem GMR-Prinzip arbeitet. Hierbei beträgt die Phase 360°, so dass theoretisch jeder Winkelposition nur ein einziger Messwert zugeordnet werden kann. Die Anzahl der Wiederholungen der durchfahrenen Phasen gibt dabei die Umdrehungszahl des drehenden Bauteils wieder. Aufgrund des GMR-Prinzips ist allerdings prinzipbedingt die Erfassung des Messsignals über eine Umdrehung störungsbehaftet. Beispielsweise treten insbesondere zwischen den Maxima und Minima der Kurve 3 Hysterese und andere Effekte auf, die zwar eine eindeutige Ermittlung der Maxima und Minima und damit eine eindeutige Bestimmung der Umdrehungszahlen zulassen, aber eine eindeutige Bestimmung der Winkelposition bei jeder Winkelposition nicht zulassen.
Es wird daher in einer vorgeschlagenen Vorrichtung ein nach dem AMR-Prinzip und ein nach dem GMR-Prinzip arbeitender Magnetsensor kombiniert. Hierbei übernimmt der nach dem AMR-Prinzip arbeitende Magnetsensor die detaillierte Winkelauflösung zur Ermittlung der Winkelposition des drehenden Bauteils und der nach dem GMR-Prinzip arbeitende Magnetsensor wie Multiturnsensor einerseits die Ermittlung der Umdrehungszahl des Bauteils und andererseits die Zuordnung, in welcher der beiden Halbphasen wie Halbkreisen sich ein Referenzpunkt des drehenden Bauteils befindet, also wie dessen Winkelposition bezogen auf eine ganze Umdrehung ist. Hierzu kann beispielsweise die Bestimmung der Winkelposition in der entsprechenden Halbphase abhängig von einem durchschrittenen Minimum oder Maximum beziehungsweise einem großen oder kleinen Widerstand oder entsprechend der Spannung U_Out festgelegt werden.
Die 2 zeigt das Diagramm 4 mit der Kurve 5 und den Signalverläufen h1, m1, l1, h2, m2, l2 zweier Halbbrücken eines Leiters eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors über den Verdrehwinkel über eineinhalb Umdrehungen eines drehenden Bauteils. Die Kurve 5 liefert über den Messbereich ein kontinuierliches Spannungssignal der Spannung U_AMROut mit diskret zuordenbaren Winkelpositionen mit einer Phase von 180°.
Die mittels der Spannungsverläufe der Spannungen U_MTOut1 und U_MTOut2 nerfassten Signalverläufe h1, m1, l1, h2, m2, l2 zeigen die Bereiche 6, in denen eine Winkelposition des drehenden Bauteils zuverlässig erfasst werden kann. In den Bereichen 7 der Signalverläufe h1, m1, l1, h2, m2, l2 eines im Uhrzeigersinn drehenden Bauteils und in den Bereichen 8 eines im Gegenuhrzeigersinn drehenden Bauteils ist eine eindeutige Erfassung der Winkelposition beispielsweise aufgrund von Hysterese fehlerbehaftet beziehungsweise nicht möglich. Durch Phasenverschiebung der Kurve 5 um den Phasenwinkel X° werden Maxima und Minima der Bereiche 6 auf die Phase der Kurve 5 synchronisiert. Die Signalverläufe h1, h2 geben dabei Signalzustände mit hohem Widerstand, die Signalverläufe m1, m2 mit mittlerem und die Signalverläufe l1, l2 Signalzustände mit geringem Widerstand wieder. Die sich aus der Spannung U_MTOut1 über den Verdrehwinkel ergebenden Signalverläufe h1, m1, l1 der ersten Halbbrücke sind dabei um 180° gegenüber den sich aus der Spannung U_MTOUT2 über den Verdrehwinkel ergebenden Signalverläufen h2, m2, l2 der zweiten Halbbrücke verschoben. Die Zuordnung der in Kurve 5 ermittelten Winkelpositionen auf die zugehörigen Phasenhälften erfolgt mittels der Bereiche 6 ebenso wie die Ermittlung der Umdrehungszahl.
Die 3 zeigt schematisch die Vorrichtung 10 mit der an dem um die Drehachse d drehenden Bauteil 11 mit dem Magnetelement 12 angeordneten Platine 13, auf der der Multiturnsensor 14 und der gemäß dem AMR-Prinzip arbeitende Magnetsensor 15 angeordnet sind. Beiden Magnetsensoren können eine Vorortelektronik, beispielsweise in Form eines ASICs aufweisen und erfasste und gegebenenfalls vorverarbeitete Daten auf den gemeinsamen Prozessor 16 übertragen. Der Prozessor 16 verarbeitet die erfassten Daten zu einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition des Bauteils 11 und überträgt diese drahtlos oder mittels gegebenenfalls einer Datenleitung auf ein übergeordnetes Steuergerät. Die Vorrichtung 10 kann in ein Kupplungsbetätigungssystem, beispielsweise in einen Kupplungsaktor integriert sein, wobei mittels der Vorrichtung 10 beispielsweise Umdrehungszahl und Winkelposition eines Rotors eines Elektromotors oder eines mit diesem verbundenen Bauteils erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Diagramm
2: Kurve
3: Kurve
4: Diagramm
5: Kurve
6: Bereich
7: Bereich
8: Bereich
10: Vorrichtung
11: Bauteil
12: Magnetelement
13: Platine
14: Multiturnsensor
15: Magnetsensor
16: Prozessor
d: Drehachse
h1: Signalverlauf
h2: Signalverlauf
l1: Signalverlauf
l2: Signalverlauf
m1: Signalverlauf
m2: Signalverlauf
U_AMROut: Spannung
U_MTOut1: Spannung
U_MTOut2: Spannung
U_Out: Spannung
X°: Phasenwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/038800 A1 [0002]
DE 102012008888 A1 [0002]
EP 2549237 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse (d) drehenden Bauteils (11) mit einem Magnetelement (12) mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors (14) mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse (d) angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements (12) zwei unterscheidbaren Halbbrückensignalen, wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale jeweils eine Umdrehung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors (15) die Winkelposition des Bauteils (11) in jeweils zwei Halbkreisen ermittelt wird und mittels des Multiturnsensors (14) ermittelt wird, in welchem der Halbkreise die Ermittlung der Winkelposition erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus aus den beiden Halbkreisen ermittelten Winkelpositionen abhängig von dem ermittelten Halbbrückensignal eine über jeweils eine ganze Umdrehungszahl absolute Winkelposition des Bauteils (11) ermittelt wird.
Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest ein Multiturnsensor (14) und ein nach dem AMR-Prinzip arbeitender Magnetsensor (15) um eine Drehachse (d) angeordnet sind. #
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturnsensor (14) und der Magnetsensor (15) um die Drehachse (d) hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leiter des Multiturnsensors (14) und des Magnetsensors (15) auf einer einem Magnetelement (12) des drehenden Bauteils (11) benachbarten Platine (13) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Leiter des Magnetsensors (15) und der Halbbrücken des Multiturnsensors (14) derart angeordnet sind, dass Minima und Maxima der Signale dieser bei jeweils gleichen Winkelpositionen des Bauteils (11) angeordnet sind.
Kupplungsbetätigungssystem mit einem von einem Rotor eines Elektromotors über ein eine Rotation in eine Translation wandelndes Getriebe verlagerten Betätigungsglied, wobei an einem drehenden Bauteil (11) mittels der Vorrichtung (10) Umdrehungszahl und Winkelposition bestimmt werden.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Bauteil (11) der Rotor ist.