DE102016217856A1

DE102016217856A1 - Verfahren zur Einrichtung eines Sensorsystems mit einem Multiturnsensor

Info

Publication number: DE102016217856A1
Application number: DE102016217856.3A
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Kutz; Paul Walden
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: DE112017004680A5; WO2018050156A1; CN109690253A; CN109690253B; DE102016217856B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einrichtung eines Sensorsystems mit zumindest einem beispielsweise auf einer Platine angeordneten, auf Basis des GMR-Effekts arbeitenden Multiturnsensor und einem auf einem gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor verdrehbaren Bauteil angeordneten, ein Magnetfeld induzierenden Sensormagneten. Um den Multiturnsensor und den Sensormagneten unabhängig von mechanischen Toleranzen aufeinander abstimmen zu können, wird zur Einstellung eines vorgegebenen Arbeitsbereichs des zumindest einen Multiturnsensors bei einem vorgegebenen Magnetfeld gegenüber dem Bauteil in einem Fertigungsschritt bei noch nicht um das Bauteil angeordnetem Sensorsystem ein den Sensormagneten repräsentierender Referenzmagnet angeordnet, zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten ein geometrischer Zusammenhang abhängig von der Funktion des zumindest einen Multiturnsensors ermittelt und der vorgegebene Arbeitsbereich wird abhängig von dem geometrischen Zusammenhang bestimmt und beim Zusammenbau des Multiturnsensors und des Bauteils eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einrichtung eines Sensorsystems mit zumindest einem auf Basis des GMR-Effekts arbeitenden Multiturnsensor und einem auf einem gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor verdrehbaren Bauteil angeordneten, ein Magnetfeld induzierenden Sensormagneten.
Gattungsgemäße Multiturnsensoren arbeiten nach dem GMR-Effekt (giant magnetoresistance) und erlauben die Erfassung von mehreren Umdrehungen eines gegenüber dem Multiturnsensor verdrehbaren Bauteils, beispielsweise einer Welle. Hierzu wird auf dem Bauteil ein Sensormagnet angebracht, dessen Magnetfeld auf den Multiturnsensor einwirkt. Sensorsysteme mit zumindest einem Multiturnsensor insbesondere zur Steuerung einer Reibungskupplung sind beispielsweise aus der DE 10 2015 121 097 A1 bekannt.
Multiturnsensoren reagieren dabei empfindlich auf Änderungen des vom Sensormagneten eingestellten Magnetfelds, so dass durch mechanisch bedingte Toleranzen zwischen dem den Sensormagneten tragenden Bauteil und dem Multiturnsensor Funktionsstörungen auftreten können.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren für eine Einrichtung eines Sensorsystems mit einem Multiturnsensor vorzuschlagen, das weitgehend unabhängig von mechanischen Toleranzen ist.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Einrichtung eines Sensorsystems mit zumindest einem beispielsweise auf einer Platine angeordneten, auf Basis des GMR-Effekts arbeitenden Multiturnsensor und einem auf einem gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor verdrehbaren Bauteil, beispielsweise einer Welle angeordneten, ein Magnetfeld induzierenden Sensormagneten. Beispielsweise kann das Sensorsystem zur Ermittlung der Anzahl der Umdrehungen eines elektromechanischen Kupplungsaktors dienen. Beispielsweise kann die Anzahl der Umdrehungen einer Spindel des Kupplungsaktors beziehungsweise deren Hub beziehungsweise der Hub einer auf dieser verlagerbaren Spindelmutter ermittelt werden.
Zur Einstellung eines vorgegebenen Arbeitsbereichs des zumindest einen Multiturnsensors mit einem vorgegebenen Magnetfeld gegenüber dem Bauteil in einem Fertigungsschritt bei noch nicht um das Bauteil angeordnetem Sensorsystem wird ein den Sensormagneten repräsentierender Referenzmagnet angeordnet. Hierzu kann beispielsweise eine entsprechende, beispielsweise automatisierte Vorrichtung vorgesehen sein, die variabel einstellbare Abstände zwischen Multiturnsensor und Referenzmagnet ermöglicht. Zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten wird ein geometrischer Zusammenhang abhängig von der Funktion des zumindest einen Multiturnsensors ermittelt und gegebenenfalls abgespeichert. Abhängig von dem ermittelten geometrischen Zusammenhang wird der vorgegebene Arbeitsbereich des Multiturnsensors im eingebauten Zustand bestimmt und beim Zusammenbau von Platine und Bauteil zwischen dem Sensorelement und dem zumindest einen Multiturnsensor eingestellt.
Der geometrische Zusammenhang zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten kann mittels einer Verlagerung des zumindest einen Multiturnsensors auf der Platine, einer Verlagerung der Platine und/oder einer Verlagerung des Referenzmagneten ermittelt werden. Beispielsweise wird in einer Vorrichtung die Platine mit dem Multiturnsensor fest aufgenommen und der Referenzmagnet verlagert. Alternativ kann der Referenzmagnet fest in einer Vorrichtung aufgenommen sein und die Platine oder Multiturnsensor auf der Platine verlagert werden. Dabei kann der geometrische Zusammenhang durch eine relative Axial- und/oder Radialverlagerung zwischen Referenzmagnet und zumindest einem Multiturnsensor ermittelt werden. In einer Axial- und Radialbewegung kann ein Winkelversatz entlang einer axialen Verlagerungsachse des Multiturnsensors gegenüber dem Referenzmagneten enthalten sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann eine Verlagerung zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten entlang eines Zyklus erfolgen, wobei dieser oder mehrere gleichartige oder iterativ wiederholte Zyklen zwischen zwei extremen Magnetfeldzuständen, nämlich einem für eine Funktionsfähigkeit des zumindest einen Multiturnsensors zu starken und zu schwachen Magnetfeld des Referenzmagneten mittels einer relativen Verlagerung von zumindest einem Multiturnsensor und Referenzmagnet eingestellt werden. Hierbei kann der geometrische Zusammenhang zwischen beiden Magnetfeldzuständen festgelegt werden.
Eine Verlagerung kann derart erfolgen, dass an zumindest einem der Magnetfeldzustände eine Fehlfunktion des zumindest einen Multiturnsensors eingestellt wird und daraus zumindest eine geometrische Referenzposition des geometrischen Zusammenhangs ermittelt und auf die Positionierung des Sensormagneten gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor im zusammengebauten Zustand des Sensorsystems übertragen wird. Hierzu wird die festgestellte Referenzposition um einen vorgegebenen Betrag am Sensormagneten verlagert. Dies bedeutet, dass der Sensormagnet auf einen Toleranzbereich zwischen beiden Magnetfeldzuständen eingestellt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors in einer Grundstellung betreffend die Anzahl der Umdrehungen ermittelt wird. Alternativ kann der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors an einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen abgespeichert werden, beispielsweise an einer beliebigen Stelle des Messbereichs des Multiturnsensors, wobei die entsprechende Position ebenfalls abgespeichert wird und der zumindest eine Multiturnsensor bei derselben Anzahl wie Position des Messbereichs mit dem Bauteil verbunden wird.
Das vorgeschlagene Verfahren dient zudem der Einstellung von Sensorsystemen, bei denen neben dem oder den Multiturnsensoren zusätzlich ein Drehwinkelsensor, beispielsweise ein 360°-Sensor vorgesehen ist. Hierbei kann mittels des Drehwinkelsensors der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors plausibilisiert werden. Alternativ kann mittels des Verfahrens die Funktion des Drehwinkelsensors überprüft werden.
Mit anderen Worten ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine Positionierung eines Multiturnsensors gegenüber dem Sensormagneten unter weitgehender Umgehung der mechanischen Toleranzen des Sensorsystems. Dabei wird insbesondere die Auslegung beziehungsweise Einstellung des Sensorsystems wie beispielsweise der geometrische Zusammenhang zwischen Multiturnsensor und Sensormagnet nicht durch die Toleranzkette im Zusammenbau bestimmt. Der Abstand zwischen Multiturnsensor und Sensormagnet wird durch den Funktionsbereich des Multiturnsensors bestimmt, welcher vor dem Zusammenbau gegebenenfalls ermittelt und angepasst wird.
Hierbei können entsprechend vorgesehene Vorrichtungen zur Ermittlung des Abstands und zum Zusammenbau dieselben sein. Dies bedeutet, dass der Multiturnsensor selbst als Testkriterium dient. Da dieser nicht in der Lage ist, absolute Felder zu messen und auszuwerten, kann die Funktion vorteilhafterweise über einen Testzyklus geprüft werden. In diesem Testzyklus kann beispielsweise die Position ermittelt werden, ab welchem der Multiturnsensor einen Funktionsausfall aufgrund zu starker Magnetfelder ausbildet. Alternativ kann eine Grenzposition ermittelt werden, bis zu der eine Funktion des Multiturnsensors sichergestellt werden muss. Abhängig von diesen ermittelten Positionen kann der Multiturnsensor in einem engen Toleranzbereich eingestellt werden.
Hierbei ist das Sensorsystem aus einem einzigen oder mehreren Multiturnsensoren und gegebenenfalls aus weiteren Sensoren gebildet. Der Multiturnsensor arbeitet gemäß dem GMR-Effekt mit magnetischen Domänen entsprechend Übergängen ganzer Umdrehungen einer axialen Wegachse, wobei die Informationen der Anzahl der Umdrehungen bei einem Versorgungsspannungsverlust erhalten bleiben. Der Multiturnsensor kann daher als absolut messender Sensor betrachtet werden.
Die Erzeugung der Domänenwände entsteht hierbei durch ein externes Magnetfeld.
Durch das Messprinzip bedingt muss dieses Magnetfeld in einem sensorspezifischen Magnetfeldfenster liegen. Ist das Magnetfeld zu gering, erfolgt keine Domänenwandverschiebung. Ist das magnetische Feld zu stark, werden willkürlich Domänenwände erzeugt. In beiden Fällen ist die Sensorfunktion nicht mehr gewährleistet. Daraus lässt sich folgender Arbeitsbereich ableiten: Bmin < Arbeitsbereich < Bmax.
Die Lage des Sensormagneten kann dementsprechend so gewählt werden, dass der Multiturnsensor sich immer innerhalb des Magnetfeldfensters befindet.
Die axialen und diametralen beziehungsweise radialen Lagetoleranzen zwischen Sensormagnet und Multiturnsensor haben somit einen Einfluss auf diesen Arbeitsbereich.
Das Sensorsystem kann aus verschiedenen Modulen, beispielsweise einer Platine, welche die verschiedenen Sensoren, zumindest aber einen Multiturnsensor enthält, und einem mechanischen Teil wie Bauteil, dessen Umdrehungsinformation beziehungsweise axiale Hubinformation erfasst werden soll, gebildet sein.
Beim Zusammenfügen beider Module muss sichergestellt sein, dass der Sensormagnet die genaue Position relativ zum Multiturnsensor besitzt, die die Sensorfunktion bedingt.
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Verfahren beschrieben, das die mechanischen Toleranzen zwischen den Modulen umgeht. Dabei soll ein den erst später gefügten Sensormagnet ersetzender Referenzmagnet an einer vorgegebenen, variabel einstellbaren Position angeordnet und die Funktion des Multiturnsensors mittels einer Prüfroutine überprüft werden. Die mit dem Referenzmagneten erfassten Daten werden nach dem Fügen des Sensormagneten auf diesen übertragen.
Dabei wird die Position des Referenzmagneten so lange variiert, bis der Multiturnsensor einen Funktionsausfall zeigt.
Ist die Position des Referenzmagneten, welche zu einem Funktionsausfall führt, bekannt, lässt sich eine Position beziehungsweise der Arbeitsbereich bestimmen, in welchen der Sensormagnet vorteilhafterweise anzuordnen ist, um die Funktion des Multiturnsensors zu gewährleisten. Diese Position beziehungsweise der Arbeitsbereich können über einen vorgegebenen Sicherheitsabstand abhängig von der oberen oder unteren Grenzen des maximalen beziehungsweise minimalen Magnetfelds liegen.
Der Sensormagnet wird also so ausgerichtet, dass der Multiturnsensor resultierend im magnetischen Arbeitspunkt liegt.
Im Einzelnen wird der Referenzmagnet mit gleicher Magnetstärke wie der Sensormagnet beispielsweise nach folgender Prüfroutine ausgerichtet:

– Der Referenzmagnet wird in einer Vorrichtung auf ein vorgegebenes Axialmaß an den Multiturnsensor positioniert.
– Der Referenzmagnet wird in einem definierten Zyklus axial verfahren und die Funktion des Multiturnsensors überprüft.
– Bei gegebener Funktion des Multiturnsensors wird der Referenzmagnet um einen weiteren Axialabstand verfahren. Dadurch erfährt der Sensor ein stärkeres oder schwächeres magnetisches Feld.
– Die Axialabstände werden solange variiert, bis ein Funktionsausfall des Multiturnsensors am minimalen oder maximalen Magnetfeldzustand eintritt oder eine vorgegebene Grenzfunktion erreicht wird.
– Tritt der Funktionsausfall ein oder wird die Grenzfunktion erreicht, wird der axiale Abstand wie Position zwischen Multiturnsensor und Referenzmagnet ermittelt und abgespeichert. Aus dem ermittelten Abstand wird der optimale Abstand beziehungsweise Toleranzbereich für den Arbeitsbereich ermittelt.
– Mit dieser Prozedur können jeweils eine einzige Position auf Basis des Funktionsausfalls oder beide Positionen bezogen auf den maximalen oder minimalen Magnetfeldzustand ermittelt werden.
– Abhängig von der ermittelten Position werden die Module des Sensorsystems, nämlich Sensormagnet und Multiturnsensor vereint wie gefügt und die bestimmten Positionen zwischen diesen unabhängig von weiteren mechanischen Bauteiltoleranzen eingestellt. Dabei wird der Sensormagnet so positioniert, dass ohne weitere Prüfung die Sensorfunktion gewährleistet ist. Die Position des Sensormagneten wird also nicht rein mechanisch über die gesamte Toleranzkette sondern direkt über die Funktion des Multiturnsensors eingestellt. Hierdurch lassen sich die Einbautoleranzen minimieren.
– Optional kann die Position des Sensormagneten über einen zweiten Sensor, welcher auf der Platine zusätzlich angebracht ist, überprüft werden. Beispielsweise können hierzu 360°-Winkelsensoren wie Drehwinkelsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren dienen. Hierbei ist aus den Messsignalen derartiger Sensoren eine Evaluation des ermittelten Magnetfelds beziehungsweise des Abstands zwischen Sensormagnet und Platine mit dem Multiturnsensor möglich. Hierdurch kann 1. eine Plausibilisierung des Abstandes des Sensormagneten und 2. eine Funktionsüberprüfung eines 360°-Winkelsensors und der Platine, auf welcher beide Sensoren angebracht sind, vorgesehen werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015121097 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Einrichtung eines Sensorsystems mit zumindest einem auf Basis des GMR-Effekts arbeitenden Multiturnsensor und einem auf einem gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor verdrehbaren Bauteil angeordneten, ein Magnetfeld induzierenden Sensormagneten, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines vorgegebenen Arbeitsbereichs des zumindest einen Multiturnsensors bei einem vorgegebenen Magnetfeld gegenüber dem Bauteil in einem Fertigungsschritt bei noch nicht um das Bauteil angeordnetem Sensorsystem ein den Sensormagneten repräsentierender Referenzmagnet angeordnet wird, zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten ein geometrischer Zusammenhang abhängig von der Funktion des zumindest einen Multiturnsensors ermittelt und der vorgegebene Arbeitsbereich abhängig von dem geometrischen Zusammenhang bestimmt und beim Zusammenbau des Multiturnsensor und des Bauteils eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Zusammenhang zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten mittels einer Verlagerung des zumindest einen Multiturnsensors auf einer diesen enthaltend Platine, einer Verlagerung der Platine und/oder einer Verlagerung des Referenzmagneten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Zusammenhang durch eine relative Axial- und/oder Radialverlagerung zwischen Referenzmagnet und zumindest einem Multiturnsensor ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlagerung zwischen dem zumindest einen Multiturnsensor und dem Referenzmagneten entlang eines Zyklus erfolgt, welcher Zyklus zwischen einem für eine Funktionsfähigkeit des zumindest einen Multiturnsensors zu starken und/oder zu schwachen Magnetfeld des Referenzmagneten mittels einer relativen Verlagerung von zumindest einem Multiturnsensor und Referenzmagnet eingestellt wird, wobei der geometrische Zusammenhang gegenüber zumindest einem Magnetfeldzustand beabstandet oder zwischen diesen festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlagerung derart erfolgt, dass eine Fehlfunktion des zumindest einen Multiturnsensors an zumindest einem der Magnetfeldzustände eingestellt wird und daraus zumindest eine geometrische Referenzposition des geometrischen Zusammenhangs ermittelt und auf die Positionierung des Sensormagneten gegenüber dem zumindest einen Multiturnsensor im zusammengebauten Zustand des Sensorsystems übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensormagnet auf einen Toleranzbereich zwischen beiden Magnetfeldzuständen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors in einer Grundstellung betreffend die Anzahl der Umdrehungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors an einer vorgegebenen Anzahl abgespeichert wird und der zumindest eine Multiturnsensor bei derselben Anzahl mit dem Bauteil verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Sensorsystem mit einem zusätzlichen Drehwinkelsensor mittels des Drehwinkelsensors der geometrische Zusammenhang des zumindest einen Multiturnsensors plausibilisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Sensorsystem mit einem zusätzlichen Drehwinkelsensor mittels des Verfahrens die Funktion des Drehwinkelsensors überprüft wird.