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
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.
- • 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.
- 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.
-
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
Es ist eine Drehmomentsensoreinheit
Die oberen Lenkwelle
Der Oszillator
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
Im Folgenden wird eine exemplarische PLL
Eilt die Phase des LC-Oszillatorsignals der Phase des Referenzsignals fref voraus, so erzeugt der PFD
Der Schleifenfilter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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