DE102017109403A1

DE102017109403A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors

Info

Publication number: DE102017109403A1
Application number: DE102017109403.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-05-04
Also published as: WO2018202237A1; US20200124118A1; JP2020518809A; CN110520645B; DE102017109403B4; CN110520645A; US11060571B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, wobei das Bauteil ein mitdrehendes Magnetelement (18) aufweist und die Absolutposition des Magnetelementes (18) mit einem dem Magnetelement (18) gegenüberliegenden Multiturnsensor (16) ermittelt wird, der mit einer Spannung versorgt wird. Bei einem Verfahren, bei welchem die Absolutposition ohne großen konstruktiven Aufwand ermittelt werden kann, wird eine Position des Magnetelementes (18) von einer Wiegand-Drahteinheit (19) überwacht, welche eine Bewegung des Bauteiles bei abgeschaltetem Aktor (3, 12, 13) detektiert und bei detektierter Bewegung einen Spannungsimpuls an den Multiturnsensor (16) zur Messung der aktuellen Position des Bauteiles überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, wobei das Bauteil ein mitdrehendes Magnetelement aufweist und die Absolutposition des Magnetelementes mit einem dem Magnetelement gegenüberliegenden Multiturnsensor ermittelt wird, der mit einer Spannung versorgt wird.
In Kupplungsbetätigungssystemen in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei elektrohydraulischen Kupplungsbetätigungssystemen, wird ein Kolben eines Geberzylinders von einem elektrisch kommutierten Elektromotor angetrieben, der von einem Steuergerät angesteuert wird. Der Kolben des Geberzylinders befördert aufgrund seiner Position eine Hydraulikflüssigkeit durch eine Hydraulikleitung zu einem Nehmerzylinder, welcher ebenfalls einen Kolben aufweist, der durch die Hydraulikflüssigkeit verstellt wird, wodurch eine Kraft auf eine Kupplung ausgeübt wird, welche somit in ihrer Position verändert wird.
Zur genauen Ansteuerung des Elektromotors und somit der Einstellung einer genauen Kupplungsposition muss eine Winkelposition eines Rotors des elektrisch kommutierten Elektromotors genau erfasst werden. Wie aus der unveröffentlichten Patentanmeldung des Anmelders mit dem Aktenzeichen DE 10 2016 212 173.1 hervorgeht, werden die Winkelposition bzw. die Umdrehungen des Rotors mittels eines Multiturnsensors überwacht. Ein solcher Multiturnsensor ist dabei direkt an die Versorgungsspannung des Steuergerätes angeschlossen, um die Magnetdrehung ständig zu detektieren. Für diese ständige Überwachung ist ein Dauerstrom notwendig. Ist die Abtastrate des Multiturnsensors zu hoch, wird ein sehr hoher Stromverbrauch benötigt. Ist die Abtastrate zu gering, kann eine Drehung des Rotors übersehen werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich drehenden Bauteiles eines Aktors anzugeben, bei welchem ein einfacher, robuster und kostengünstiger Multiturnsensor verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Position des Magnetelementes von einer Wiegand-Drahteinheit überwacht wird, welche eine Bewegung des Bauteiles bei abgeschaltetem Aktor detektiert und bei detektierter Bewegung einen Spannungsimpuls an den Multiturnsensor zur Messung der aktuellen Position des Bauteiles überträgt. In diesem Fall
kann bei ausgeschaltetem Aktor eine passive Aktorbewegung trotzdem zuverlässig über die Wiegand-Drahteinheit detektiert werden. Der Multiturnsensor wird durch den Spannungsimpuls geweckt und die geänderte Position des sich drehenden Bauteiles gemessen. Da sich der Aktor aber selten passiv bewegt, ist der Summenstromverbrauch des Multiturnsensors sehr gering, so dass eine sehr stromsparende und kostengünstige Variante des Multiturnsensors verwendet werden kann.
Vorteilhafterweise wird der Multiturnsensor bei abgeschaltetem Aktor über eine Batterie mit Spannung versorgt. Durch die Unabhängigkeit von einer Versorgung durch ein Steuergerät ist sichergestellt, dass der zu weckende Multiturnsensor jederzeit funktionsfähig ist, so dass auch bei einer passiven Bewegung des Aktors jederzeit die Änderung der Position des sich drehenden Bauteils gemessen werden kann. Da für diese kurzfristige Messung nur wenig Energie verbraucht wird, ist eine Belastung der Batterie nur geringfügig.
In einer Ausgestaltung geht der Multiturnsensor nach Empfang des von der Wiegand-Drahteinheit übermittelten Spannungsimpulses aus einem Bereitschaftszustand in einen Betriebszustand über. Somit besteht nur eine kurzzeitige Verbindung mit der Batterie, wodurch eine Belastung der Batterie durch den Multiturnsensor herabgesetzt wird.
In einer Variante wird der Multiturnsensor nach Empfang des von der Wiegand-Drahteinheit übermittelten Spannungsimpulses die aktuelle Position des Bauteiles messen und speichern und geht anschließend wieder in den Bereitschaftszustand über. Dadurch wird der Multiturnsensor nur solange bestromt, wie es der kurzzeitige Mess- und Speichervorgang benötigt.
In einer Ausführungsform wird der Spannungsimpuls von der Wiegand-Drahteinheit nur dann ausgelöst, wenn sich die Position des Magnetelementes um wenigstens 180° verändert hat. Somit wird der Multiturnsensor nur bei auffälligen Änderungen der Winkelposition des Magnetelementes in den Messzustand versetzt.
In einer Ausführungsform wird bei eingeschaltetem Aktor der Multiturnsensor über eine Versorgungsspannung eines Steuergerätes mit Spannung versorgt und ein Winkel des Bauteiles und/oder Umdrehungen des Bauteiles durch den Multiturnsensor werden ermittelt. Der Multiturnsensor kann somit bei jedem Zustand des Aktors die Position des sich drehenden Bauteiles zuverlässig messen, so dass beim Einschalten des normalen Betriebszustandes dem Steuergerät sofort die aktuelle Position des sich drehenden Bauteiles vorliegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteils eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, mit einem Multiturnsensor zur Bestimmung der Absolutposition des ein Magnetelement umfassenden Bauteiles, welches der Drehbewegung des Bauteiles folgt. Bei einer Vorrichtung, bei welcher ein preisgünstiger Multiturnsensor eingesetzt werden kann und trotzdem eine zuverlässige Überwachung der Winkelposition des sich drehenden Bauteiles gewährleistet ist, ist zur Überwachung der Position des Magnetelementes diesem eine Wiegand-Drahteinheit zugeordnet ist, welches mit einem wake-up-Anschluss einer Sensorelektronik des in einem Bereitschaftszustand befindlichen Multiturnsensors zur Überführung des Multiturnsensors in einen Betriebszustand durch einen Spannungsimpuls verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass bei Neustart des Steuergerätes diesem immer die aktuelle Position des Aktors vorliegt und somit sofort eine entsprechende Kommutierung des Elektromotors erfolgen kann.
Vorteilhafterweise ist der sich in dem Bereitschaftszustand befindliche Multiturnsensor mit einer Batterie verbunden. Somit ist der Multiturnsensor jederzeit in Betriebsbereitschaft und somit unabhängig von einer Versorgungsspannung des Steuergerätes.
In einer Ausführungsform ist der Multiturnsensor in dem Betriebszustand mit einer Versorgungsspannung eines Steuergerätes verbunden. Somit wird im normalen Betriebszustand, wo der Multiturnsensor häufig aktiv ist, die Batterie geschont.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1: eine Prinzipdarstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer automatisierten Reibungskupplung,
2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahr zeuges einer Reibungskupplung 2 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder 3, der über eine als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung 4 mit einem Nehmerzylinder 5 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder 5 ist ein Nehmerkolben 6 hin und her bewegbar, der über ein Betätigungselement 7 unter Zwischenschaltung eines Lagers 8 die Reibungskupplung 2 betätigt.
Der Geberzylinder 3 ist über eine Verbindungsöffnung mit einem Ausgleichsbehälter 9 verbindbar. In dem Geberzylinder 3 ist ein Geberkolben 10 axial beweglich gelagert. Eine Kolbenstange 11 des Geberzylinders 3 ist über eine Gewindespindel 12 mit einem elektromotorischen Stellantrieb 13 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb 13 umfasst einen als kommutierten Elektromotor ausgebildeten Elektromotor 14 und ein Steuergerät 15. Die Gewindespindel 12 setzt eine Drehbewegung des Elektromotors 14 in eine Längsbewegung der Geberkolbens 10 des Geberzylinders 3 um. Die Reibungskupplung 2 wird somit durch den Elektromotor 14, die Gewindespindel 12, den Geberzylinder 3 und den Nehmerzylinder 5 automatisiert betätigt.
Da es sich bei dem Elektromotor 14 um einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor handelt, ist es notwendig, dessen Absolutposition für die Lageregelung des Elektromotors 14 zu kennen. Diese Absolutposition wird mit einem Multiturnsensor 16 detektiert. Der Multiturnsensor 16 ist in seinem normalen Betriebszustand mit dem Steuergerät 15 verbunden und wird von dessen Versorgungsspannung gespeist. Der Multiturnsensor 16 ist Bestandteil eines Chips 17, wie es in 2 dargestellt ist. Der Chip 17 ist so angeordnet, dass der Multiturnsensor 16 dem Rotor des Elektromotors 14 gegenüber liegt. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Magnetelement 18 des Elektromotors 14 dargestellt, welches fest an einer Stirnseite des Rotors des Elektromotors 14 befestigt ist und dessen Drehbewegung folgt. Das Magnetelement 18 wird dabei von einer gegenüberliegenden Wiegand-Drahteinheit 19 überwacht, welche über eine Leitung 20 mit einem Wake-up-Anschluss 21 des Chips 17 des Multiturnsensors 16 verbunden ist. Darüber hinaus ist der Chip 17 des Multiturnsensors 16 mit einer Batteriespannung U_Batt gekoppelt.
Im Normalbetrieb des Aktors 3, 12, 13 liegt der Chip 17 an der Versorgungsspannung des Steuergerätes 15 und ermittelt den Winkel des Magnetelementes 18 und zählt dabei dessen Umdrehungen. Diese Umdrehungen sind notwendig, um die Kommutierung des Elektromotors 14 richtig einzustellen.
Ist der Aktor 3, 12, 13 aber ausgeschaltet, dann ist auch das Steuergerät 15 und die das Steuergerät 15 und den Multiturnsensor 16 versorgende Versorgungsspannung abgeschaltet.
In diesem Fall befindet sich der Multiturnsensor 16 in einem Bereitschaftszustand, der durch die Batteriespannung U_Batt aufrechterhalten wird. In diesem ausgeschalteten Zustand des Aktors 3, 12, 13 kann es vorkommen, dass sich die Position des Rotors des Elektromotors 14 passiv verändert. In diesem Fall wird die Winkeländerung des Magnetelementes 18 durch die Wiegand-Drahteinheit 19 detektiert. Bei dieser Wiegand-Drahteinheit 19 handelt es sich um einen Sensor, welcher als wesentliches Bauelement Wiegand-Drähte erhält, die durch parallele weich- und hartmagnetische Bereiche eine Hysteresekurve mit ausgeprägten Sprungstellen aufweisen, die als Wiegand-Effekt bekannt sind. Die plötzliche Änderung der Magnetisierung, welche durch die Positionsänderung des Magnetelementes 18 des Rotors des Elektromotors 14 hervorgerufen wird, verursacht in einer den Drähten nahen Spule einen Spannungsimpuls. Dieser Spannungsimpuls wird über die Leitung 20 an das Chip 17 weitergeleitet, wodurch der Multiturnsensor 16 aufgeweckt wird. Der Spannungsimpuls aus der Wiegand-Drahteinheit 19 wird spätestens nach einer Positionsänderung des Magnetelementes 18 von 180° ausgelöst, wenn das Magnetelement 18 zweipolige Magneten enthält. Mittels des Spannungsimpulses geht der Multiturnsensor 16 aus dem Bereitschaftszustand in seinen normalen Betriebszustand über. In diesem normalen Betriebszustand wird die neue Position des Magnetelementes 18 gemessen und abgespeichert. Anschließend wird der Multiturnsensor 16 wieder in seinen Bereitschaftszustand zurück versetzt.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Reibungskupplung
3: Geberzylinder
4: Hydraulikleitung
5: Nehmerzylinder
6: Nehmerkolben
7: Betätigungselement
8: Lager
9: Ausgleichsbehälter
10: Geberkolben
11: Kolbenstange
12: Gewindespindel
13: Stellantrieb
14: Elektromotor
15: Steuergerät
16: Multiturnsensor
17: Chip
18: Magnetelement
19: Wiegand-Drahteinheit
20: Leitung
21: Wake-up-Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016212173 [0003]

Claims

Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, wobei das Bauteil ein mitdrehendes Magnetelement (18) aufweist und die Absolutposition des Magnetelementes (18) mit einem dem Magnetelement (18) gegenüberliegenden Multiturnsensor (16) ermittelt wird, der mit einer Spannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position des Magnetelementes (18) von einer Wiegand-Drahteinheit (19) überwacht wird, welche eine Bewegung des Bauteiles bei abgeschaltetem Aktor (3, 12, 13) detektiert und bei detektierter Bewegung einen Spannungsimpuls an den Multiturnsensor (16) zur Messung der aktuellen Position des Bauteiles überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturnsensor (16) bei abgeschaltetem Aktor (3,12. 13) über eine Batterie mit Spannung versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturnsensor (16) nach Empfang des von der Wiegand-Drahteinheit (19) übermittelten Spannungsimpulses aus einem Bereitschaftszustand in einen Betriebszustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturnsensor (16) nach Empfang des von der Wiegand-Drahteinheit (19) übermittelten Spannungsimpulses die aktuelle Position des Bauteiles misst und abspeichert und anschließend wieder den Bereitschaftszustand einnimmt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls von der Wiegand-Drahteinheit (19) ausgelöst wird, wenn sich die Position des Magnetelementes (18) um wenigstens 180° verändert hat.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem Aktor (2, 12, 13) der Multiturnsensor (16) über eine Versorgungsspannung eines Steuergerätes (15) mit Spannung versorgt wird und ein Winkel des Bauteiles und/oder Umdrehungen des Bauteils durch den Multiturnsensor (16) ermittelt werden.
Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, mit einem Multiturnsensor (16) zur Bestimmung der Absolutposition des ein Magnetelement (18) umfassenden Bauteiles, welches der Drehbewegung des Bauteiles folgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Position des Magnetelementes (18) diesem eine Wiegand-Drahteinheit (19) zugeordnet ist, welche mit einem wake-up-Anschluss (21) einer Sensorelektronik (17) des in einem Bereitschaftszustand befindlichen Multiturnsensors (16) zur Überführung des Multiturnsensors (16) in einen Betriebszustand durch einen Spannungsimpuls verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in dem Bereitschaftszustand befindliche Multiturnsensor (16) mit einer Batteriespannung (U_Batt) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturnsensor (16) in dem Betriebszustand mit einer Versorgungsspannung eines Steuergerätes (15) verbunden ist.