DE102018121561A1 - High-resolution induction / frequency measurement with a slow microcontroller - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor (15) aufweisend einen LC-Oszillator (18), der einen LC-Schwingkreis (17) mit Kondensator (19) und Spule (16), die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, wobei die Kapazität des Kondensators (19) einstellbar ist und der LC-Oszillator (18) Teil einer Phasenregelschleife oder Frequenzregelschleife der Auswerteeinheit ist, die einen Referenz-Oszillator (22) umfasst, der ein Referenzsignal bereitstellt, und einen Detektor (21), der dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des LC-Oszillators (18) mit dem Referenzsignal zu vergleichen, wobei das Ausgangssignal der Regelschleife zur Steuerung der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) an den Kondensator (19) zur Einstellung der Kapazität des Kondensators (19) zurückgeführt ist, so dass die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) der Frequenz des Referenz-Oszillators entspricht.The invention relates to an inductive sensor (15) comprising an LC oscillator (18), which comprises an LC resonant circuit (17) with a capacitor (19) and coil (16), which can generate a high-frequency alternating magnetic field, and an evaluation unit which is set up to detect a change in the signal of the LC oscillator (18) by means of a metallic object introduced into the alternating field, the capacitance of the capacitor (19) being adjustable and the LC oscillator (18) being part of a phase locked loop or Frequency control loop of the evaluation unit, which comprises a reference oscillator (22), which provides a reference signal, and a detector (21), which is designed to compare the output signal of the LC oscillator (18) with the reference signal, the output signal the control loop for controlling the resonance frequency of the LC resonant circuit (17) is fed back to the capacitor (19) for setting the capacitance of the capacitor (19), so d ass the resonance frequency of the LC resonant circuit (17) corresponds to the frequency of the reference oscillator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug aufweisend den induktiven Sensor und ein Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels mit einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.The present invention relates to an inductive sensor with the features of the preamble of claim 1, an electromechanical power steering system for a motor vehicle having the inductive sensor and a method for high-resolution measurement of an angle of rotation with an inductive sensor with the features of the preamble of claim 9.

Lenkwinkelsensoren messen den Einschlagwinkel des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges mittels Drehiwnkelsensoren. Dementsprechend soll unter dem Begriff „Lenkwinkel“ in der vorliegenden Beschreibung der Drehwinkel der Lenkwelle und des damit gekoppelten Lenkrades verstanden werden, nicht jedoch der Einschlagswinkel der gelenkten Räder des Fahrzeugs.Steering angle sensors measure the turning angle of the steering wheel of a motor vehicle using turning angle sensors. Accordingly, the term “steering angle” in the present description should be understood to mean the angle of rotation of the steering shaft and the steering wheel coupled to it, but not the turning angle of the steered wheels of the vehicle.

Auch bei Drehmomentsensoren kommen Drehwinkelsensoren zum Einsatz. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können.Angle sensors are also used for torque sensors. Here, two shaft parts that can be rotated to a limited extent are elastically coupled to one another via a torsion spring. If a shaft part is rotated against the other shaft part by a torque applied by the driver of the vehicle, the relative angle of rotation is essentially proportional to the torque introduced. For an accurate determination of the torque, it is important to be able to measure the angle of rotation precisely.

Es sind induktive Drehwinkelsensoren bekannt, die eine hohe Genauigkeit aufweisen. Im Wesentlichen besteht ein induktiver Sensor aus drei Hauptelementen. Einem Oszillator, der ein von allein schwingendes System ist, die Frequenzmesseinheit, die die Daten sowohl vergleicht als auch auswertet und der Ausgabeeinheit, der die Werte in ein elektrisches Signal umwandelt. Im Betrieb erzeugen induktive Sensoren mit Hilfe einer Magnetspule ein magnetisches, hochfrequentes Wechselfeld. Dadurch dass induzierte Wirbelströme hervorgerufen werden, wird eine Veränderung der Impedanz der Magnetspule bewirkt. Diese Impedanz wirkt dem Magnetfeld entgegen und wird elektronisch in ein Schaltsignal umgewandelt. Bewegt sich ein metallisches Objekt in dem entstandenen Magnetfeld, wird ein Wirbelstrom im Objekt induziert, was dem Magnetfeld entgegenwirkt und somit Energie entzieht. Die dadurch entstehende Frequenzänderung wird mit einem Referenzoszillator gemessen.Inductive rotation angle sensors are known which have a high accuracy. Essentially, an inductive sensor consists of three main elements. An oscillator, which is a self-oscillating system, the frequency measuring unit, which both compares and evaluates the data, and the output unit, which converts the values into an electrical signal. In operation, inductive sensors generate a magnetic, high-frequency alternating field with the help of a magnetic coil. The induced eddy currents cause a change in the impedance of the magnetic coil. This impedance counteracts the magnetic field and is electronically converted into a switching signal. If a metallic object moves in the resulting magnetic field, an eddy current is induced in the object, which counteracts the magnetic field and thus withdraws energy. The resulting change in frequency is measured with a reference oscillator.

In induktiven Sensoren werden ganz allgemein Mikrocontroller eingesetzt. Mikrokontroller sind kleine Computer auf einem einzigen integrierten Schaltkreis. Sie enthalten einen oder mehrere Prozessorkerne sowie nichtflüchtigen Programmspeicher, SRAM-Datenspeicher und programmierbare Peripheriegeräte wie Timer, ADCs und DACs. Induktive Drehwinkelsensoren benötigen für ihren Einsatz in Lenkwellen eine hohe Auflösung der Frequenz- oder Periodendauermessung. Diese erfolgt mit einem Mikrokontroller, der einen Timer mit hoher Taktfrequenz hat. Solche Timer werden üblicherweise nur in schnellen Mikrocontrollern eingesetzt, die kostspielig sind.Microcontrollers are generally used in inductive sensors. Microcontrollers are small computers on a single integrated circuit. They contain one or more processor cores as well as non-volatile program memory, SRAM data memory and programmable peripheral devices such as timers, ADCs and DACs. Inductive rotation angle sensors require a high resolution of the frequency or period measurement for their use in steering shafts. This is done with a microcontroller that has a timer with a high clock frequency. Such timers are usually only used in fast microcontrollers that are expensive.

Die Offenlegungsschrift EP 1 217 334 A2 offenbart einen induktiven Drehwinkelsensor mit einer Oszillatorschaltung, die einen Schwingkreis mit einem gepulsten Signal mit einer vorgegebenen Frequenz ansteuert. Der Schwingkreis umfasst einen Widerstand, die Erregerspule des Sensors und einen Kondensator. Die Impedanzschwankungen der Erregerspule führen zu einer Phasenverschiebung des Spannungssignals an beiden Seiten des Kondensators, die von einer Detektionseinheit gemessen wird, um dann daraus einen Lenkwinkel zu bestimmen.The disclosure EP 1 217 334 A2 discloses an inductive rotation angle sensor with an oscillator circuit which drives an oscillating circuit with a pulsed signal at a predetermined frequency. The resonant circuit comprises a resistor, the excitation coil of the sensor and a capacitor. The impedance fluctuations of the excitation coil lead to a phase shift of the voltage signal on both sides of the capacitor, which is measured by a detection unit in order to then determine a steering angle from it.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen induktiven Sensor anzugeben, der eine hohe Auflösung aufweist und trotzdem kostengünstig ist.It is an object of the present invention to provide an inductive sensor which has a high resolution and is nevertheless inexpensive.

Diese Aufgabe wird von einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels mit einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by an inductive sensor with the features of claim 1 and by a method for high-resolution measurement of an angle of rotation with an inductive sensor with the features of claim 9.

Demnach ist ein induktiver Sensor aufweisend einen LC-Oszillator, der einen LC-Schwingkreis mit Kondensator und Spule, die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC-Oszillators durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, vorgesehen. Die Kapazität des Kondensators ist dabei einstellbar und der LC-Oszillator ist Teil einer Phasenregelschleife (PLL) oder Frequenzregelschleife (FLL) der Auswerteeinheit, die einen Referenz-Oszillator, der ein Referenzsignal bereitstellt, und einen Detektor umfasst, der dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des LC-Oszillators mit dem Referenzsignal zu vergleichen, wobei das Ausgangssignal der Regelschleife zur Steuerung der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises an den Kondensator zur Einstellung der Kapazität des Kondensators zurückgeführt ist, so dass die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises der Frequenz des Referenz-Oszillators entspricht. Die Resonanzfrequenz des LC-Oszillators kann somit konstant und auf einem vorgegeben Wert gehalten werden. Es kann somit auf einen schnellen Mikrokontroller verzichtet werden, was den Sensor besonders kostengünstig macht.Accordingly, an inductive sensor has an LC oscillator, which comprises an LC resonant circuit with a capacitor and coil, which can generate a high-frequency alternating magnetic field, and an evaluation unit, which is set up to change the signal of the LC oscillator by means of a to detect a metallic object introduced into the alternating field. The capacitance of the capacitor is adjustable and the LC oscillator is part of a phase locked loop (PLL) or frequency locked loop (FLL) of the evaluation unit, which comprises a reference oscillator that provides a reference signal and a detector that is designed to output the signal compare the LC oscillator with the reference signal, the output signal of the control loop for controlling the resonance frequency of the LC resonant circuit being fed back to the capacitor for adjusting the capacitance of the capacitor, so that the resonant frequency of the LC resonant circuit corresponds to the frequency of the reference oscillator . The resonance frequency of the LC oscillator can thus be kept constant and at a predetermined value. A fast microcontroller can thus be dispensed with, which makes the sensor particularly cost-effective.

Vorzugsweise ist die Kapazität des Kondensators mittels einer Varaktordiode einstellbar. Das zurückgeführte Signal wird in diesem Fall zur Ansteuerung der Varaktordiode verwendet.The capacitance of the capacitor is preferably adjustable by means of a varactor diode. The In this case, the returned signal is used to control the varactor diode.

Je nach dem welche Regelschleife verwendet wird, umfasst der Detektor wenigstens einen Detektor der folgenden Liste: Phasen-Frequenz-Detektor, Phasen-Detektor, Frequenz-Detektor.Depending on which control loop is used, the detector comprises at least one detector from the following list: phase-frequency detector, phase detector, frequency detector.

Bevorzugt ist eine Ladungspumpe vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangssignale des Detektors in einen äquivalenten Strom umzuwandeln und an einen Schleifenfilter weiterzugeben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schleifenfilter dazu eingerichtet ist, den Ausgangsstrom des Detektors in eine Spannung umzuwandeln und gleichzeitig hochfrequente Störanteile herauszufiltern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der PLL/FLL mittels programmierbarer Logikbausteine als Teil eines langsamen Mikrokontrollers umgesetzt.A charge pump is preferably provided, which is set up to convert the output signals of the detector into an equivalent current and to pass them on to a loop filter. It is advantageous if the loop filter is set up to convert the output current of the detector into a voltage and at the same time to filter out high-frequency interference components. In a preferred embodiment, the PLL / FLL is implemented as part of a slow microcontroller by means of programmable logic modules.

Vorzugsweise ist der induktive Sensor ein induktiver Drehwinkelsensor zur Messung einer Drehlage einer Lenkwelle.The inductive sensor is preferably an inductive rotation angle sensor for measuring a rotational position of a steering shaft.

Weiterhin ist eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine Lenkwelle die drehbar um eine Lenkwellendrehachse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen Elektromotor zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen zuvor beschriebenen induktiven Drehwinkelsensor.Furthermore, an electromechanical power steering system is provided for a motor vehicle, comprising a steering shaft which is rotatably mounted about a steering shaft axis of rotation and can assume various rotational positions, an electric motor to support a steering movement and an inductive rotation angle sensor described above.

Zudem ist ein Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle mit einem induktiven Sensor aufweisend einen LC-Oszillator, der einen LC-Schwingkreis mit Kondensator und Spule, die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC-Oszillators durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, vorgesehen, wobei der LC-Oszillator Teil einer Phasenregelschleife oder Frequenzregelschleife der Auswerteeinheit ist, die einen Referenz-Oszillator umfasst, und dass Verfahren folgende Schritte aufweist:

  • • Einstellen einer Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises mittels der einstellbaren Kapazität des Kondensators;
  • • Bereitstellen eines Referenzsignals durch den Referenz-Oszillator;
  • • Vergleichen des Ausgangssignals des LC-Oszillators mit dem Referenzsignal in einem Detektor,
  • • Einstellen der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises auf die Referenzfrequenz des Referenz-Oszillators mittels Rückführung des Ausgangssignals der Regelschleife zur Varaktordiode oder zum variablen Kondensator.
In addition, a method for high-resolution measurement of an angle of rotation of a steering shaft with an inductive sensor has an LC oscillator, which comprises an LC resonant circuit with a capacitor and a coil, which can generate a high-frequency alternating magnetic field, and an evaluation unit which is set up to to detect a change in the signal of the LC oscillator by means of a metallic object introduced into the alternating field, the LC oscillator being part of a phase locked loop or frequency locked loop of the evaluation unit, which comprises a reference oscillator, and that the method comprises the following steps:
  • • Setting a resonance frequency of the LC resonant circuit by means of the adjustable capacitance of the capacitor;
  • Provision of a reference signal by the reference oscillator;
  • Comparing the output signal of the LC oscillator with the reference signal in a detector,
  • • Setting the resonance frequency of the LC resonant circuit to the reference frequency of the reference oscillator by means of feedback of the output signal of the control loop to the varactor diode or to the variable capacitor.

Vorzugsweise ist die Kapazität des Kondensators mittels einer Varaktordiode einstellbar. Das zurückgeführte Signal wird in diesem Fall zur Ansteuerung der Varaktordiode verwendet.The capacitance of the capacitor is preferably adjustable by means of a varactor diode. In this case, the returned signal is used to control the varactor diode.

Je nach dem welche Regelschleife verwendet wird, umfasst der Detektor wenigstens einen Detektor der folgenden Liste: Phasen-Frequenz-Detektor, Phasen-Detektor, Frequenz-Detektor.Depending on which control loop is used, the detector comprises at least one detector from the following list: phase-frequency detector, phase detector, frequency detector.

Das Verfahren kann weiterhin folgende Schritte umfassen:

  • • Umwandeln des Ausgangssignals des Detektors in einen äquivalenten Strom mittels einer Ladungspumpe,
  • • Umwandeln und Filtern des Signals der Ladungspumpe mittels eines Schleifenfilters,
  • • Rückführung des Ausgangssignals des Schleifenfilters an den Kondensator zum Einstellen der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises.
The method can also include the following steps:
  • Converting the output signal of the detector into an equivalent current by means of a charge pump,
  • Converting and filtering the signal of the charge pump by means of a loop filter,
  • • Feedback of the output signal of the loop filter to the capacitor for setting the resonance frequency of the LC resonant circuit.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei bei dem Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle mit dem induktiven Drehwinkelsensor gemessen wird, der die raumfest angeordnete Spule, die Teil des LC-Schwingkreises ist, aufweist, wobei die Spule wenigstens eine sich mit der Lenkwelle drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle erstreckende Spur abtastet, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens detektiert wird.Furthermore, a method for determining a rotational angle of the rotational position of a rotatably mounted steering shaft of a motor vehicle is provided, the rotational position of the rotation of the steering shaft being measured with the inductive rotation angle sensor which has the fixedly arranged coil which is part of the LC resonant circuit , wherein the coil scans at least one electrically conductive track rotating with the steering shaft and extending around the steering shaft, in which a change in a resonance frequency of the LC resonant circuit is detected by means of the previously described method.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung mit einem induktiven Drehwinkelsensor, sowie
  • 2: ein Blockschaltbild eines induktiven Drehwinkelsensors.
A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Identical or functionally identical components are provided with the same reference symbols in all figures. Show it:
  • 1 : a schematic representation of an electromechanical power steering system with an inductive rotation angle sensor, and
  • 2 : a block diagram of an inductive rotation angle sensor.

In der 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 50 einer Zahnstange 5. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 5 ein Lenkgetriebe. Die Zahnstange 5 ist in einem dritten Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 5 mit Spurstangen 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 6 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 7 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 5 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 7. Die gelenkten Räder 7 erfahren über eine Fahrbahn 70 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 mit einem Rotorlagensensor (RPS) einer Servoeinheit 9 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Servoeinheit 9 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10,11,12 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10,11,12 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 5 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10,11,12 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt.In the 1 is an electromechanical motor vehicle power steering 1 with a steering wheel 2 that with a steering shaft 3 is rotatably coupled, shown schematically. Via the steering wheel 2 the driver brings a corresponding torque into the steering shaft as a steering command 3 on. The torque is then over the steering shaft 3 on a steering pinion 4 transfer. The pinion 4 combs with a tooth segment in a known manner 50 a rack 5 , The steering pinion 4 forms together with the rack 5 a steering gear. The rack 5 is slidably mounted in a third steering housing in the direction of its longitudinal axis. The rack is at its free end 5 with tie rods 6 connected via ball joints, not shown. The tie rods 6 themselves are in a known manner via steering knuckles with one steered wheel each 7 connected to the motor vehicle. One turn of the steering wheel 2 leads over the connection of the steering shaft 3 and the pinion 4 to a longitudinal displacement of the rack 5 and thus swiveling the steered wheels 7 , The steered wheels 7 learned about a lane 70 a reaction that counteracts the steering movement. For swiveling the wheels 7 consequently a force is required that has a corresponding torque on the steering wheel 2 makes necessary. An electric motor 8th with a rotor position sensor (RPS) of a servo unit 9 is provided to assist the driver in this steering movement. The servo unit 9 can be used as an auxiliary support device 10 . 11 . 12 either with a steering shaft 3 , the steering pinion 4 or the rack 5 be coupled. The respective assistant support 10 . 11 . 12 carries an auxiliary torque in the steering shaft 3 , the steering pinion 4 and / or in the rack 5 a, which supports the driver in the steering work. The three different ones 1 assistants shown 10 . 11 . 12 show alternative positions for their arrangement. Usually only one of the positions shown is assisted.

Es ist eine Drehmomentsensoreinheit 13, die Teil einer integralen Baueinheit ist, die eine Lenkwinkelsensoreinheit 14 umfasst, vorgesehen. Die Drehmomentsensoreinheit 13 erfasst die Verdrehung einer oberen Lenkwelle 30 gegenüber einer unteren Lenkwelle 31 als ein Maß des an der oberen Lenkwelle 30 manuell vom Fahrer ausgeübten Drehmomentes. Die Lenkwinkelsensoreinheit 14 hingegen misst den aktuellen Lenkwinkel der unteren Lenkwelle 31.It is a torque sensor unit 13 , which is part of an integral unit that is a steering angle sensor unit 14 includes, provided. The torque sensor unit 13 detects the rotation of an upper steering shaft 30th against a lower steering shaft 31 as a measure of that on the upper steering shaft 30th torque applied manually by the driver. The steering angle sensor unit 14 however measures the current steering angle of the lower steering shaft 31 ,

Die oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 sind drehelastisch über einen Drehstab miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen der oberen Lenkwelle 30 und der unteren Lenkwelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmomentsensor bezeichnet. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 13 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit eine Hilfskraftunterstützung für den Fahrer bereit.The upper steering shaft 30th and the lower steering shaft 31 are coupled to each other in a torsionally flexible manner via a torsion bar. The twist between the upper steering shaft 30th and the lower steering shaft 31 can be determined using a rotation angle sensor. This angle of rotation sensor is also referred to as a torque sensor. Depending on the torque sensor unit 13 measured torque, the servo unit provides auxiliary support for the driver.

2 zeigt ein Blockschaltbild des induktiven Sensors, bevorzugt eines induktiven Winkelsensors 15 einer Lenkwinkelsensoreinheit 14 zur Messung des Lenkwinkels. Eine Spule 16 des induktiven Sensors ist Teil eines LC-Schwingkreises 17 eines LC-Oszillators 18. Der LC-Schwingkreis 17 ist die frequenzselektive Komponente. Die Kapazität des Kondensators 19 des LC-Schwingkreises ist mittels einer Varaktordiode (auch Varicap oder Kapazitätsdiode genannt) einstellbar. Die Kapazität einer solchen Diode weist eine Spannungsabhängigkeit auf und kann durch Anlegen einer Steuerspannung in einem bestimmten Bereich verändert werden. Aufgrund der Induktivitätsänderung ergibt sich auch eine Änderung der Resonanzfrequenz ω0 LC-Schwingkreises 17. Um eine gewünschte niedrige Resonanzfrequenz ω0 , insbesondere in einem Bereich von 1 bis 10 MHz, zu erreichen, muss die Kapazität der Varaktordiode erhöht werden. 2 shows a block diagram of the inductive sensor, preferably an inductive angle sensor 15 a steering angle sensor unit 14 for measuring the steering angle. A coil 16 of the inductive sensor is part of an LC resonant circuit 17 of an LC oscillator 18th , The LC resonant circuit 17 is the frequency selective component. The capacitance of the capacitor 19 the LC resonant circuit can be set using a varactor diode (also called varicap or capacitance diode). The capacitance of such a diode has a voltage dependency and can be changed in a certain range by applying a control voltage. Due to the change in inductance, there is also a change in the resonance frequency ω 0 LC resonant circuit 17 , At a desired low resonance frequency ω 0 , especially in a range from 1 to 10 MHz, the capacitance of the varactor diode must be increased.

Der Oszillator 18 ist Teil einer Phasenregelschleife 20 (PLL, phase locked loop) oder Frequenzregelschleife (FLL, frequency locked loop), die im Allgemeinen zur Erzeugung einer stabilen, einstellbaren Frequenz dient. Bei einer Phasenregelschleife 20 wird ein Phasenvergleich vorgenommen, bei dem als Regelrest ein Phasenfehler bleibt; die relative Genauigkeit der Ausgangsfrequenz entspricht derjenigen der Referenzfrequenz, wenn im Regelsystem Frequenzteiler verwendet werden. Bei einem Frequenzvergleich in einer Frequenzregelschleife dagegen verbleibt als Regelrest stets ein Frequenzfehler. Aus diesem Grund wird die Frequenzregelschleife meist nur in automatischen Nachstimmschaltungen (AFC) angewendet, wo es auf extreme Frequenzgenauigkeit nicht ankommt.The oscillator 18th is part of a phase locked loop 20th (PLL, phase locked loop) or frequency locked loop (FLL, frequency locked loop), which is generally used to generate a stable, adjustable frequency. With a phase locked loop 20th a phase comparison is carried out in which a phase error remains as a control residue; the relative accuracy of the output frequency corresponds to that of the reference frequency if frequency dividers are used in the control system. In contrast, in a frequency comparison in a frequency control loop, a frequency error always remains as the control residue. For this reason, the frequency control loop is mostly only used in automatic tuning circuits (AFC), where extreme frequency accuracy is not important.

Je nachdem ob eine Phasenregelschleife oder Frequenzregelschleife zum Einsatz kommt umfasst die Regelschleife einen Phasen-Frequenz-Detektor (PFD), Phasen-Detektor (PD) und/oder Frequenz-Detektor (FD), in der 2 als Detektor 21 dargestellt, und zudem einen externen Referenz-Oszillator 22 sowie einen Schleifenfilter 23.Depending on whether a phase-locked loop or frequency-locked loop is used, the control loop comprises a phase-frequency detector (PFD), phase detector (PD) and / or frequency detector (FD), in which 2 as a detector 21 shown, and also an external reference oscillator 22 as well as a loop filter 23 ,

Im Folgenden wird eine exemplarische PLL 20 beschrieben. Der externe Referenz-Oszillator 22 erzeugt mit hoher Güte, ausgezeichnet durch eine hohe Stabilität und Genauigkeit, ein als Referenzsignal dienendes Eingangssignal fref für die PLL 20. Ein PFD 21 vergleicht das Ausgangssignal des LC-Oszillators 18 bezüglich seiner Phase mit dem Referenzsignal fref des Referenz-Oszillators 22 und erzeugt an seinem Ausgang ein Signal, das proportional zu deren Phasendifferenz ist.The following is an exemplary PLL 20th described. The external reference oscillator 22 Generates with high quality, characterized by high stability and accuracy, an input signal fref serving as a reference signal for the PLL 20th , A PFD 21 compares the output signal of the LC oscillator 18th with respect to its phase with the reference signal fref of the reference oscillator 22 and generates a signal at its output that is proportional to its phase difference.

Eilt die Phase des LC-Oszillatorsignals der Phase des Referenzsignals fref voraus, so erzeugt der PFD 21 an seinem Ausgang ein negatives Signal. Liegt hingegen der umgekehrte Fall vor, dass die Phase des LC-Oszillatorsignals der Phase des Referenzsignals fref nacheilt, so erzeugt der PFD 21 an seinem Ausgang ein positives Signal. Die Ausgangssignale des Phasen-Frequenz-Detektors 21 werden mittels einer nicht dargestellten Ladungspumpe in einen äquivalenten Strom umgewandelt und an den Schleifenfilter 23 weitergegeben.If the phase of the LC oscillator signal leads the phase of the reference signal fref, the PFD generates 21 a negative signal at its output. If, on the other hand, there is the opposite case in which the phase of the LC oscillator signal lags behind the phase of the reference signal fref, the PFD generates 21 a positive signal at its output. The Output signals of the phase-frequency detector 21 are converted into an equivalent current by means of a charge pump (not shown) and to the loop filter 23 passed on.

Der Schleifenfilter 23 dient dazu, den Ausgangsstrom des PFD 21 in eine Spannung umzuwandeln und gleichzeitig hochfrequente Störanteile herauszufiltern. Dadurch wird eine möglichst glatte Ausgangsspannung erzielt. Die Ausgangsspannung wird an den einstellbaren Kondensator 19 des spannungsgesteuerten LC-Oszillators zur Steuerung der Varaktordiode rückgekoppelt, um jegliche Abweichung von der beabsichtigten Ausgangsfrequenz zu korrigieren. Das Ausgangssignal dient als Messsignal des Sensors. Die Frequenz des Messsignals des induktiven Sensors kann somit mittels der Varaktordiode bis zu einem gewissen Grad eingestellt werden. Dies kann verwendet werden um beispielsweise EMV-Probleme zu vermeiden und somit unanfällig für nahegelegene Störungungsfelder zu sein. Da die Frequenz konstant gehalten wird, können mehrere Sensorelemente mit unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden. Interferenzen zwischen den Sensorelementen können somit vermieden werden. Der LC-Oszillator kann mittels programmierbarer Logikbausteine als Teil des Mikrokontrollers umgesetzt werden. Der Schleifenfilter kann in Form von Software implementiert werden.The loop filter 23 serves the output current of the PFD 21 convert into a voltage and at the same time filter out high-frequency interference. The output voltage is as smooth as possible. The output voltage is sent to the adjustable capacitor 19 of the voltage controlled LC oscillator to control the varactor diode to correct any deviation from the intended output frequency. The output signal serves as the measurement signal of the sensor. The frequency of the measurement signal of the inductive sensor can thus be set to a certain extent by means of the varactor diode. This can be used to avoid EMC problems, for example, and to be insensitive to nearby interference fields. Since the frequency is kept constant, several sensor elements with different frequencies can be used. Interference between the sensor elements can thus be avoided. The LC oscillator can be implemented as part of the microcontroller using programmable logic modules. The loop filter can be implemented in the form of software.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 1217334 A2 [0006]EP 1217334 A2 [0006]

Claims (13)

Induktiver Sensor (15) aufweisend einen LC-Oszillator (18), der einen LC-Schwingkreis (17) mit einem Kondensator (19) und einer Spule (16), die ein magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (19) einstellbar ist und der LC-Oszillator (18) Teil einer Phasenregelschleife oder Frequenzregelschleife der Auswerteeinheit ist, die einen Referenz-Oszillator (22), der ein Referenzsignal bereitstellt, und einen Detektor (21) umfasst, der dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des LC-Oszillators (18) mit dem Referenzsignal zu vergleichen, wobei das Ausgangssignal der Regelschleife zur Steuerung der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) an den Kondensator (19) zur Einstellung der Kapazität des Kondensators (19) zurückgeführt ist, so dass die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) der Frequenz des Referenz-Oszillators entspricht.Inductive sensor (15) comprising an LC oscillator (18), which comprises an LC resonant circuit (17) with a capacitor (19) and a coil (16), which can generate an alternating magnetic field, and an evaluation unit that does so is set up to detect a change in the signal of the LC oscillator (18) by a metallic object introduced into the alternating field, characterized in that the capacitance of the capacitor (19) is adjustable and the LC oscillator (18) is part of a phase locked loop or Frequency control loop of the evaluation unit, which comprises a reference oscillator (22) which provides a reference signal, and a detector (21) which is designed to compare the output signal of the LC oscillator (18) with the reference signal, the output signal the control loop for controlling the resonance frequency of the LC resonant circuit (17) is fed back to the capacitor (19) for setting the capacitance of the capacitor (19), so that the Resonance frequency of the LC resonant circuit (17) corresponds to the frequency of the reference oscillator. Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (19) mittels einer Varaktordiode einstellbar ist.Inductive sensor after Claim 1 , characterized in that the capacitance of the capacitor (19) is adjustable by means of a varactor diode. Induktiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (21) wenigstens einen Detektor der folgenden Liste umfasst: Phasen-Frequenz-Detektor, Phasen-Detektor, Frequenz-Detektor.Inductive sensor after Claim 1 or 2 , characterized in that the detector (21) comprises at least one detector from the following list: phase-frequency detector, phase detector, frequency detector. Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladungspumpe vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangssignale des Detektors (21) in einen äquivalenten Strom umzuwandeln und an einen Schleifenfilter (23) weiterzugeben.Inductive sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a charge pump is provided which is set up to convert the output signals of the detector (21) into an equivalent current and to pass them on to a loop filter (23). Induktiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifenfilter (23) dazu eingerichtet ist, den Ausgangsstrom des Detektors (21) in eine Spannung umzuwandeln und gleichzeitig hochfrequente Störanteile herauszufiltern.Inductive sensor after Claim 4 , characterized in that the loop filter (23) is set up to convert the output current of the detector (21) into a voltage and at the same time filter out high-frequency interference components. Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LC-Oszillator (18) und die PLL oder FLL-Logik mittels programmierbarer Logikbausteine als Teil eines Mikrokontrollers umgesetzt ist.Inductive sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the LC oscillator (18) and the PLL or FLL logic is implemented as part of a microcontroller by means of programmable logic modules. Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (15) ein induktiver Drehwinkelsensor zur Messung einer Drehlage einer Lenkwelle ist.Inductive sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the inductive sensor (15) is an inductive rotation angle sensor for measuring a rotational position of a steering shaft. Elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkwelle (3,31) die drehbar um eine Lenkwellendrehachse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen Elektromotor (8) zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen induktiven Drehwinkelsensor (15) gemäß Anspruch 7.Electromechanical power steering system for a motor vehicle, comprising a steering shaft (3, 31) which is rotatably mounted about a steering shaft rotation axis and can assume various rotational positions, an electric motor (8) for supporting a steering movement and an inductive rotation angle sensor (15) according to Claim 7 , Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle mit einem induktiven Sensor (15) aufweisend einen LC-Oszillator (18), der einen LC-Schwingkreis (17) mit einem Kondensator (19) und einer Spule (16), die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der LC-Oszillator (18) Teil einer Phasenregelschleife oder Frequenzregelschleife der Auswerteeinheit ist, die einen Referenz-Oszillator (22) umfasst, und dass folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: • Einstellen einer Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) mittels der einstellbaren Kapazität des Kondensators (19); • Bereitstellen eines Referenzsignals durch den Referenz-Oszillator (22); • Vergleichen des Ausgangssignals des LC-Oszillators (18) mit dem Referenzsignal in einem Detektor (21), • Einstellen der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) auf die Referenzfrequenz des Referenz-Oszillators (22) mittels Rückführung des Ausgangssignals der Regelschleife zu einer Varaktordiode oder zu einem variablen Kondensator (19).Method for high-resolution measurement of an angle of rotation of a steering shaft with an inductive sensor (15) comprising an LC oscillator (18), an LC resonant circuit (17) with a capacitor (19) and a coil (16), which have a high-frequency alternating magnetic field can generate, and an evaluation unit which is set up to detect a change in the signal of the LC oscillator (18) by a metallic object introduced into the alternating field, characterized in that the LC oscillator (18) is part of a phase locked loop or frequency control loop of the evaluation unit, which comprises a reference oscillator (22), and that the following method steps are provided: • Setting a resonance frequency of the LC resonant circuit (17) by means of the adjustable capacitance of the capacitor (19); • providing a reference signal by the reference oscillator (22); • Compare the output signal of the LC oscillator (18) with the reference signal in a detector (21), • Adjust the resonance frequency of the LC resonant circuit (17) to the reference frequency of the reference oscillator (22) by means of feedback of the output signal of the control loop to one Varactor diode or to a variable capacitor (19). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (19) mittels der Varaktordiode einstellbar ist.Procedure according to Claim 9 , characterized in that the capacitance of the capacitor (19) is adjustable by means of the varactor diode. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (21) wenigstens einen Detektor der folgenden Liste umfasst: Phasen-Frequenz-Detektor (PFD), Phasen-Detektor (PD), Frequenz-Detektor (FD).Procedure according to Claim 9 or 10 , characterized in that the detector (21) comprises at least one detector from the following list: phase-frequency detector (PFD), phase detector (PD), frequency detector (FD). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Umwandeln des Ausgangssignals des Detektors (21) in einen äquivalenten Strom mittels einer Ladungspumpe, • Umwandeln und Filtern des Signals der Ladungspumpe mittels eines Schleifenfilters (23), • Rückführung des Ausgangssignals des Schleifenfilters (23) an den Kondensator (19) zum Einstellen der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17).Method according to one of the preceding Claims 9 to 11 , characterized in that the method comprises the following steps: • converting the output signal of the detector (21) into an equivalent current by means of a charge pump, • converting and filtering the signal of the charge pump by means of a loop filter (23), • feedback of the output signal of the loop filter ( 23) to the capacitor (19) for setting the resonance frequency of the LC resonant circuit (17). Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle (3,31) eines Kraftfahrzeuges, wobei bei dem Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle (3,31) mit einem induktiven Drehwinkelsensor (15) gemessen wird, der die raumfest angeordnete Spule (16), die Teil des LC-Schwingkreises (17) ist, aufweist, wobei die Spule (16) wenigstens eine sich mit der Lenkwelle (3,31) drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle (3,31) erstreckende Spur abtastet, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (17) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 detektiert wird. Method for determining an angle of rotation of the rotational position of a rotatably mounted steering shaft (3, 31) of a motor vehicle, wherein in the method the rotational position of the rotation of the steering shaft (3, 31) is measured with an inductive angle of rotation sensor (15) which detects the fixed coil ( 16), which is part of the LC resonant circuit (17), the coil (16) sensing at least one electrically conductive track rotating with the steering shaft (3.31) and extending around the steering shaft (3.31), in which a change in a resonance frequency of the LC resonant circuit (17) by means of the method according to one of the Claims 9 to 12 is detected.
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