DE102018111588A1

DE102018111588A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors

Info

Publication number: DE102018111588A1
Application number: DE102018111588.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN110651135A; DE112018002898A5; DE112018002898B4; CN110651135B; WO2018224081A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, wobei an dem Bauteil (14) ein mitdrehendes Magnetelement (18) angeordnet ist, und die Absolutposition des Magnetelementes (18) mit einem dem Magnetelement (18) gegenüberliegenden Multiturn-Sensor (16) ermittelt wird, der mit einer Spannung versorgt wird. Bei einem Verfahren, bei welchem ein besonders robuster und einfacher Multiturn-Sensor verwendet werden kann, überwacht eine Wiegand-Drahteinheit (19) eine Bewegung einer Magnetanordnung (18, 22) des sich drehenden Bauteiles (14) und generiert bei detektierter Bewegung aus dem Magnetfeld der Magnetanordnung (18, 22) des sich drehenden Bauteiles (14) Energie und wandelt diese in eine elektrische Spannung um, welche zur Spannungsversorgung des Multiturn-Sensors (16) bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, wobei an dem Bauteil ein mitdrehendes Magnetelement angeordnet ist und die Absolutposition des Magnetelementes mit einem dem Magnetelement gegenüberliegenden Multiturn-Sensor 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 der Anmelderin mit dem Aktenzeichen DE 10 2016 212 173.1 hervorgeht, werden die Winkelpositionen bzw. die Umdrehungen des Rotors mittels eines Multiturn-Sensors überwacht. Ein solcher Multiturn-Sensor 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 und eine Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich drehenden Bauteiles eines Aktors anzugeben, bei welchem ein einfacher, robuster und kostengünstiger Multiturn-Sensor verwendet werden kann, der ab dem Einlernen am Bandende seine Absolutposition behält.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Wiegand-Drahteinheit eine Bewegung einer Magnetanordnung des sich drehenden Bauteiles überwacht und bei detektierter Bewegung aus dem Magnetfeld der Magnetanordnung des sich drehenden Bauteiles Energie generiert und diese in eine elektrische Spannung umwandelt, welche zur Spannungsversorgung des Multiturn-Sensors bereitgestellt wird. Durch die Magnetanordnung des sich drehenden Bauteiles wird beim Drehen des Bauteils ein Magnetfeld aufgebaut, welches durch die Wiegand-Drahteinheit detektiert wird. Die Energie des Magnetfeldes wird durch die Wiegand-Drahteinheit in eine elektrische Spannung umgewandelt, mit der der Multiturn-Sensor versorgt wird. Dadurch wird der Multiturn-Sensor immer bestromt, wenn das Bauteil sich dreht. Diese Spannungsversorgung erfolgt auch dann, wenn der Aktor abgeschaltet ist und eine unvorhergesehene Bewegung des Bauteils erfolgt. Mittels dieser Vorgehensweise kann außerhalb eines Messvorganges für eine Winkel- oder Umdrehungsmessung immer die Absolutposition des Elektromotors bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird als sich drehendes Bauteil ein den Aktor antreibender Elektromotor verwendet, aus dessen die Magnetanordnung bildenden Hauptmagneten die Wiegand-Drahteinheit die Energie gewinnt. Bei dieser Vorgehensweise werden Magnete, die bereits im Elektromotor vorhanden sind, zur Energiegewinnung für den Multiturn-Sensor genutzt. Auf separate Magnete zur Ausbildung eines Magnetfeldes kann dabei verzichtet werden.
In einer Ausgestaltung geht der Multiturn-Sensor bei abgeschaltetem Aktor nach Empfang der von der Wiegand-Drahteinheit übermittelten Spannung in einen Betriebszustand über, in welchen dieser die aktuelle Position des Bauteiles misst und abspeichert. Dabei wird der Multiturn-Sensor nur so lange bestromt, wie bei abgeschaltetem Aktor ein kurzzeitiger Mess- und Speichervorgang nötig ist.
In einer Variante wird bei eingeschaltetem Aktor der Multiturn-Sensor über eine Versorgungsspannung eines Steuergerätes oder eine Batteriespannung oder über die Energie der Wiegand-Drahteinheit mit Spannung versorgt, wobei ein Winkel des Bauteiles und/oder Umdrehung des Bauteiles durch den Multiturn-Sensor ermittelt werden. Der Multiturn-Sensor kann somit bei jedem Zustand des Aktors die Position des sich drehenden Bauteiles zuverlässig messen, so dass beim Beginn des Messvorgangs mit Einschalten des normalen Betriebszustandes dem Steuergerät immer die aktuelle Position des sich drehenden Bauteiles vorliegt.
In einer Ausführungsform wird mit der durch die Wiegand-Drahteinheit aus dem Hauptmagneten des Elektromotors bereitgestellten Energie ein Energiespeicher des Multiturn-Sensors zum autarken Betrieb des Multiturn-Sensors aufgeladen. Aufgrund dieser im Energiespeicher bevorrateten Energie kann der Multiturn-Sensor auch während des normalen Betriebszustandes einfach und unabhängig von Batteriespannung und Versorgungsspannung des Steuergerätes mit Energie versorgt werden.
Vorteilhafterweise wird zur Aufladung des Energiespeichers der Elektromotor vor einem Messvorgang über einen vorgegebenen Winkelbereich gedreht. Dadurch wird sichergestellt, dass ausreichend Energie zum Betrieb des Multiturn-Sensors vorhanden ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absolutpositionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, mit einem Multiturn-Sensor zur Bestimmung der Absolutposition des ein Magnetelement tragenden Bauteiles, welches der Drehbewegung des Bauteiles folgt. Bei einer Vorrichtung, bei welcher ein kostengünstiger und robuster Multiturn-Sensor Verwendung finden kann, weist das sich drehende Bauteil eine Magnetanordnung auf, welche mindestens einer Wiegand-Drahteinheit gegenüberliegend angeordnet ist, die zur Energieübertragung mit dem Multiturn-Sensor verbunden ist. Da die Magnetanordnung ein sich änderndes Magnetfeld beim Drehen des Bauteiles bereitstellt, wird die magnetische Energie durch die Wiegand-Drahteinheit in elektrische Energie umgesetzt, mittels welcher der Multiturn-Sensor versorgt wird.
Vorteilhafterweise ist die Magnetanordnung durch das auf der Stirnseite des sich drehenden Bauteiles angeordnete Magnetelement eines Sensors gebildet. Dadurch wird eine an sich im Aktor vorhandene Magnetanordnung zur Energiegewinnung für den Multiturn-Sensor genutzt, was die Kosten des Verfahrens reduziert.
In einer Alternative ist die Magnetanordnung ein integrierter Bestandteil des sich drehenden Bauteiles.
In einer Ausgestaltung ist das sich drehende Bauteil als Elektromotor ausgebildet und die Magnetanordnung durch die Hauptmagnete des Elektromotors gebildet. Da der Rotor des Elektromotors mehrere Hauptmagnete aufweist, wird durch mehrere Polübergänge des sich drehenden Elektromotors eine starke Magnetfeldänderung hervorgerufen, welche ein erhöhtes Energieaufkommen nach sich zieht.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Wiegand-Drahteinheit innerhalb eines das sich drehende Bauteil darstellenden Elektromotors verbaut und liegt dem die Magnetanordnung bildenden Hauptmagneten des Elektromotors gegenüber. Da bei einer Drehung über 360° mehrere Polübergänge zwischen den einzelnen Hauptmagneten des Elektromotors auftreten, wird über eine Drehung mehr Energie bereitgestellt.
In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Wiegand-Drahteinheit mit einem Energiespeicher zur Bereitstellung von Energie für den Multiturn-Sensor verbunden. Dieser Energiespeicher wird aufgeladen, wenn der Multiturn-Sensor nicht aktiv ist. Die darin gespeicherte Energie wird bei aktivem Multiturn-Sensor von diesem aufgebraucht.
In einer Variante ist der sich in einem Bereitschaftszustand und/oder Betriebszustand befindende Multiturn-Sensor mit einer Batteriespannung oder einer Versorgungsspannung eines Steuergerätes verbunden. Dadurch, dass die Absolutposition des Multiturn-Sensors in jedem Zustand des Multiturn-Sensors bekannt ist, kann bei Neustart des Steuergerätes mit dieser bekannten aktuellen Position des Aktors sofort eine entsprechende Kommutierung des Elektromotors erfolgen.
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 Kupplung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Wiegand-Drahteinheit,
3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Wiegand-Drahteinheit,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Wiegand-Drahteinheiten.

In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges 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 des 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 Multiturn-Sensor 16 detektiert. Der Multiturn-Sensor 16 ist in seinem normalen Betriebszustand mit dem Steuergerät 15 verbunden und wird von dessen Versorgungsspannung gespeist. Der Multiturn-Sensor 16 ist Bestandteil eines Chips 17, wie es in 2 dargestellt ist. Der Chip 17 ist so angeordnet, dass der Multiturn-Sensor 16 dem Rotor des Elektromotors 14 gegenüberliegt. In 2 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Magnetelement 18 dargestellt, welches fest an einer Stirnseite des Rotors des Elektromotors 14 befestigt ist und dessen Drehbewegung folgt. Dieses Magnetelement 18 wirkt mit dem Multiturn-Sensor 16 bei der Bestimmung der Absolutposition des Elektromotors 14 zusammen.
Das Magnetelement 18 wird dabei von einer gegenüberliegenden Wiegand-Drahteinheit 19 überwacht, welche über eine Leitung 20 mit einem Pufferkondensator 21 des Multiturn-Sensors 16 verbunden ist. Darüber hinaus ist der Multiturn-Sensors 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 des Elektromotors 14. Diese Umdrehungen sind notwendig, um die Kommutierung des Elektromotors 14 richtig einzustellen.
Anstelle einer Energieversorgung des Multiturn-Sensors 16 durch die Versorgungsspannung des Steuergerätes 15 kann die notwendige Energie aber auch aus dem Magnetfeld des sich drehenden Magnetelementes 18 gewonnen werden. Dies geschieht mit Hilfe der Wiegand-Drahteinheit 19. Bei der 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, induziert in einer den Drähten nahen Spule eine Spannung. Diese Spannung wird über die Leitung 20 an den Chip 17 weitergeleitet, wodurch der Multiturn-Sensor 16 mit Energie versorgt wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass aufgrund dieser Spannung der Pufferkondensator 21, welcher den Multiturn-Sensor 16 mit Energie versorgt, aufgeladen wird.
Da das Magnetelement 18 zweipolige Magnete enthält, ist die Magnetänderung, die durch die Wiegand-Drahteinheit 19 gemessen wird, sehr gering, was nicht immer zum Betrieb des Multiturn-Sensors 16 ausreicht. Aus diesem Anlass ist die Wiegand-Drahteinheit 19 so angeordnet, dass sie direkt den Hauptmagneten 22 des Elektromotors 14 gegenüberliegt (3). Durch die Polübergänge der Hauptmagnete 22 wird ein stärkeres Magnetfeld initiiert, wodurch mehr Energie über eine Drehung von 360° bereitgestellt wird, die zur autarken Versorgung des Multiturn-Sensors 16 zur Messung des Winkels des Elektromotors 14 genutzt werden kann. Bei abgeschaltetem Aktor 2, 12, 13 ist eine solche, von der Wiegand-Drahteinheit 19 bereitgestellte Energie zur Aufladung des Pufferkondensators 21 nutzbar. Dabei wird der Rotor des Elektromotors 14 vor dem Messvorgang um einen definierten Winkelbereich gedreht, um ausreichend Energie im Pufferkondensator 21 zu speichern.
Wie aus 4 hervorgeht, können aber auch mehrere Wiegand-Drahteinheiten 19.1, 19.2 zur Aufladung des Pufferkondensators 21 gegenüberliegend den Hauptmagneten 22 des Elektromotors 14 angeordnet sein, wodurch mehr Energie aus dem Magnetfeld des sich drehenden Rotors des Elektromotors 14 gewonnen wird. In einer besonders einfachen Ausführung ist die mindestens eine Wiegand-Drahteinheit 19 integraler Bestandteil des Elektromotors 14 und muss nicht separat gegenüber dem Rotor des Elektromotors (14) justiert werden.
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: Multiturn-Sensor
17: Chip
18: Magnetelement
19: Wiegand-Drahteinheit
20: Leitung
21: Pufferkondensator
22: Hauptmagnete
23: Diode

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 an dem Bauteil (14) ein mitdrehendes Magnetelement (18) angeordnet ist, und die Absolutposition des Magnetelementes (18) mit einem dem Magnetelement (18) gegenüberliegenden Multiturn-Sensor (16) ermittelt wird, der mit einer Spannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wiegand-Drahteinheit (19) eine Bewegung einer Magnetanordnung (18, 22) des sich drehenden Bauteiles (14) überwacht und bei detektierter Bewegung aus dem Magnetfeld der Magnetanordnung (18, 22) des sich drehenden Bauteiles (14) Energie generiert und diese in eine elektrische Spannung umwandelt, welche zur Spannungsversorgung des Multiturn-Sensors (16) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als sich drehendes Bauteil ein den Aktor antreibender Elektromotor (14) verwendet wird, aus dessen die Magnetanordnung bildenden Hauptmagnete (22) die Wiegand-Drahteinheit (19) die Energie gewinnt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiturn-Sensor (16) bei abgeschaltetem Aktor nach Empfang der von der Wiegand-Drahteinheit (19) übermittelten Spannung in einen Betriebszustand übergeht, in welchen dieser die aktuelle Position des Bauteiles (14) misst und abspeichert.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem Aktor der Multiturn-Sensor (16) über eine Versorgungsspannung eines Steuergerätes (15) oder eine Batteriespannung (U_Batt) oder über die Energie der Wiegand-Drahteinheit (19) mit Spannung versorgt wird, wobei ein Winkel des Bauteiles (14) und/oder Umdrehungen des Bauteiles (14) durch den Multiturn-Sensor (16) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der durch die Wiegand-Drahteinheit (19) aus dem Hauptmagneten (22) des Elektromotors (14) bereitgestellten Energie ein Energiespeicher (21) des Multiturn-Sensors (16) zum autarken Betrieb des Multiturn-Sensors (16) aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufladung des Energiespeichers (21) der Elektromotor (14) vor einem Messvorgang über einen vorgegebenen Winkelbereich gedreht wird.
Vorrichtung zur Absolut Positionsbestimmung eines sich um eine Drehachse drehenden Bauteiles eines Aktors, insbesondere eines Kupplungsaktors, mit einem Multiturn-Sensor (16) zur Bestimmung der Absolutposition des ein Magnetelement (18) tragenden Bauteiles (14), welches der Drehbewegung des Bauteiles (14) folgt, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Bauteil (14) eine Magnetanordnung (18, 22) aufweist, welcher mindestens eine Wiegand-Drahteinheit (19) gegenüberliegend angeordnet ist, die zur Energieversorgung des Multiturn-Sensors (16) mit diesem verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung durch das auf einer Stirnseite des sich drehenden Bauteiles (14) angeordnete Magnetelementes (18) gebildet ist, wobei das Magnetelement (18) Bestandteil eines Sensors ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (22) ein integrierter Bestandteil des sich drehenden Bauteiles (14) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Bauteil als Elektromotor (14) ausgebildet ist, und die Magnetanordnung durch die Hauptmagnete (22) des Elektromotors (14) gebildet ist.