DE102018131708A1 - Sensor unit and method for detecting an angular position of a rotating component - Google Patents

Sensor unit and method for detecting an angular position of a rotating component Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition (ω) eines Drehbauteils durch eine Sensoreinheit (10), aufweisend ein Sensorelement (20) mit einem Sendeelement, welches ein Sensorsignal (22) aussendet und einem Empfangselement, welches das Sensorsignal (22) empfängt, ein mit dem Drehbauteil verbundenes und sich um eine Drehachse drehbares erstes Reflektionselement (12), welches das Sensorsignal (22) reflektiert, und das Empfangselement das reflektierte Sensorsignal (22) empfängt, wobei die Laufzeit des Sensorsignals (22) als Messsignal (Y, 112) erfasst wird und das erste Reflektionselement (12) einen abhängig von der Drehung um die Drehachse veränderlichen, von dem Sensorsignal (22) durchlaufenen Messabstand und damit eine periodische Änderung des Messsignals (Y, 112) bewirkt, wobei mit dem Drehbauteil insgesamt n sich um die Drehachse drehbare und jeweils gegeneinander fest verdreht angeordnete Reflektionselemente (12, 14, 16, 18, 26) verbunden sind, welche jeweils das Sensorsignal (22) reflektieren und das Empfangselement diese jeweils reflektierten Sensorsignale (22) empfängt, wobei die jeweilige Laufzeit des Sensorsignals (22) als dem jeweiligen ersten bis n-ten Reflektionselement (12, 14, 16, 18, 26) zugeordnetes erstes bis n-tes Messsignal (Y, 112, 114, 116, 118, 126) erfasst wird und die n Messsignale (Y, 112, 114, 116, 118, 126) gegenseitig um den Versatzwinkel (α) verschoben sind, wobei die Anzahl n ≥ 3 ist und eine Winkelposition (ω) des Drehbauteils abhängig von einem Messsignal (Y, 112, 114, 116, 118, 126) eines der Reflektionselemente i ∈ n (12, 14, 16, 18, 26), einem Messsignal (Y) des einerseits benachbarten Reflektionselements i - 1 und einem Messsignal (Y) des andererseits benachbarten Reflektionselements i + 1 ermittelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit (10) zur Ermittlung einer Winkelposition eines Drehbauteils bei der ein derartiges Verfahren angewendet wird.The invention relates to a method for detecting an angular position (ω) of a rotary component by a sensor unit (10), comprising a sensor element (20) with a transmission element that emits a sensor signal (22) and a receiving element that receives the sensor signal (22), a first reflection element (12) connected to the rotating component and rotatable about an axis of rotation, which reflects the sensor signal (22), and the receiving element receives the reflected sensor signal (22), the transit time of the sensor signal (22) as a measurement signal (Y, 112 ) is detected and the first reflection element (12) causes a measurement distance which is variable as a function of the rotation about the axis of rotation and which is run through by the sensor signal (22), and thus causes a periodic change in the measurement signal (Y, 112), with the rotating component altogether n the rotation axis rotatable and each fixedly arranged reflection elements (12, 14, 16, 18, 26) are connected, each ils reflect the sensor signal (22) and the receiving element receives these respectively reflected sensor signals (22), the respective transit time of the sensor signal (22) being the first associated with the respective first to nth reflection element (12, 14, 16, 18, 26) to nth measurement signal (Y, 112, 114, 116, 118, 126) is detected and the n measurement signals (Y, 112, 114, 116, 118, 126) are mutually displaced by the offset angle (α), the number n ≥ 3 and an angular position (ω) of the rotary component depending on a measurement signal (Y, 112, 114, 116, 118, 126) of one of the reflection elements i ∈ n (12, 14, 16, 18, 26), a measurement signal ( Y) of the adjacent reflection element i - 1 and a measurement signal (Y) of the adjacent reflection element i + 1 is determined. The invention also relates to a sensor unit (10) for determining an angular position of a rotary component in which such a method is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit, bei der ein derartiges Verfahren angewendet wird.The invention relates to a method for detecting an angular position of a rotary component according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a sensor unit in which such a method is used.

Eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils ist beispielsweise in DE 10 2018 124 232.8 beschrieben. Darin wird eine Sensoreinheit mit einem Sensorelement, welches ein Messsignal aussendet und einem Empfangselement, welches das Messsignal empfängt, sowie einem mit dem Drehbauteil sich um eine Drehachse drehbaren Reflektionselement, welches das Messsignal reflektiert beschrieben. Die Laufzeit des Messsignals ist dabei abhängig von einem Messabstand zwischen dem als Keilscheibe ausgeführten Reflektionselement und dem Sensorelement.A sensor unit for detecting an angular position of a rotary component is, for example, in DE 10 2018 124 232.8 described. It describes a sensor unit with a sensor element that emits a measurement signal and a receiving element that receives the measurement signal, and a reflection element that rotates about an axis of rotation with the rotary component and reflects the measurement signal. The transit time of the measurement signal is dependent on a measurement distance between the reflection element designed as a wedge disk and the sensor element.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils zu verbessern. Weiterhin soll eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils verbessert werden. Die Messgenauigkeit zur Erfassung der Winkelposition soll vergrößert werden. Weiterhin soll die Zuverlässigkeit der Erfassung erhöht werden.The object of the present invention is to improve a method for detecting an angular position of a rotary component. Furthermore, a sensor unit for detecting an angular position of a rotary component is to be improved. The measuring accuracy for detecting the angular position should be increased. Furthermore, the reliability of the detection should be increased.

Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils durch eine Sensoreinheit vorgeschlagen, aufweisend ein Sensorelement mit einem Sendeelement, welches ein Sensorsignal aussendet und einem Empfangselement, welches das Sensorsignal empfängt, ein mit dem Drehbauteil verbundenes und sich um eine Drehachse drehbares erstes Reflektionselement, welches das Sensorsignal reflektiert, und das Empfangselement das reflektierte Sensorsignal empfängt, wobei die Laufzeit des Sensorsignals als Messsignal erfasst wird und das erste Reflektionselement einen abhängig von der Drehung um die Drehachse veränderlichen, von dem Sensorsignal durchlaufenen Messabstand und damit eine periodische Änderung des Messsignals bewirkt, wobei mit dem Drehbauteil insgesamt n sich um die Drehachse drehbare und verdreht angeordnete Reflektionselemente verbunden sind, welche jeweils das Sensorsignal reflektieren und das Empfangselement diese jeweils reflektierten Sensorsignale empfängt, wobei die jeweilige Laufzeit des Sensorsignals als dem jeweiligen ersten bis n-ten Reflektionselement zugeordnetes erstes bis n-tes Messsignal erfasst wird und die n Messsignale gegenseitig um den Versatzwinkel verschoben sind, wobei die Anzahl n ≥ 3 ist und eine Winkelposition des Drehbauteils abhängig von einem Messsignal eines der Reflektionselemente i ∈ n , einem Messsignal des einerseits benachbarten Reflektionselements i - 1 und einem Messsignal des andererseits benachbarten Reflektionselements i + 1 ermittelt wird.At least one of these tasks is solved by a method with the features of claim 1. Accordingly, a method for detecting an angular position of a rotating component by a sensor unit is proposed, comprising a sensor element with a transmitting element that emits a sensor signal and a receiving element that receives the sensor signal, a first reflection element that is connected to the rotating component and rotatable about an axis of rotation the sensor signal reflects, and the receiving element receives the reflected sensor signal, the transit time of the sensor signal being recorded as a measurement signal and the first reflection element causing a measurement distance which is variable as a function of the rotation about the axis of rotation and which the sensor signal traverses and thus causes a periodic change in the measurement signal, whereby with the rotary component a total of n reflection elements which are rotatable and rotated about the axis of rotation are connected, each reflecting the sensor signal and the receiving element receiving these respectively reflected sensor signals, w The respective transit time of the sensor signal is detected as the first to nth measurement signal assigned to the respective first to nth reflection element and the n measurement signals are mutually displaced by the offset angle, the number n ≥ 3 and an angular position of the rotary component depending on one Measurement signal of one of the reflection elements i ∈ n, a measurement signal of the on the one hand adjacent reflection element i-1 and a measurement signal of the on the other hand adjacent reflection element i + 1 is determined.

Dadurch kann eine zuverlässige Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils ermöglicht werden. Die Messgenauigkeit kann verbessert werden und die Anfälligkeit gegenüber äußeren Störungen kann verringert werden. Weiterhin kann durch die Anwendung mehrerer Reflektionselemente eine Unwucht der Sensoreinheit, insbesondere des Reflektionselements, verringert werden.This enables a reliable detection of the angular position of the rotating component. The measurement accuracy can be improved and the susceptibility to external interference can be reduced. Furthermore, an unbalance of the sensor unit, in particular of the reflection element, can be reduced by using a plurality of reflection elements.

Das Sensorelement kann radial beabstandet zu der Drehachse angeordnet sein. Dabei kann eine sogenannte off-axis Messung ermöglicht werden. Das Sensorelement kann ein Ultraschallsensor, umfassend einen Ultraschallsender als Sendeelement und einen Ultraschallempfänger als Empfangselement sein. Der Ultraschallsensor kann ein Ultraschallwandler sein. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger können durch einen einzigen Ultraschallwandler gebildet sein. Der Ultraschallsensor kann einen Ultraschallmesskopf mit einem Ultraschallwandler und einer Ansteuerelektronik umfassen. Der Ultraschallsensor kann ein Ultraschallarray umfassen.The sensor element can be arranged radially spaced from the axis of rotation. A so-called off-axis measurement can be made possible. The sensor element can be an ultrasonic sensor, comprising an ultrasonic transmitter as a transmitting element and an ultrasonic receiver as a receiving element. The ultrasonic sensor can be an ultrasonic transducer. The ultrasound transmitter and the ultrasound receiver can be formed by a single ultrasound transducer. The ultrasonic sensor can include an ultrasonic measuring head with an ultrasonic transducer and control electronics. The ultrasound sensor can comprise an ultrasound array.

Das Sensorsignal kann ein akustisches oder ein elektromagnetisches Signal sein.The sensor signal can be an acoustic or an electromagnetic signal.

Es können zwei Sensorelemente, die gegenüber dem Reflektionselement um die Drehachse umfangsseitig versetzt angeordnet sind, vorgesehen sein. Die beiden Sensorelemente können um 90° versetzt angeordnet sein.Two sensor elements, which are arranged offset on the circumferential side about the axis of rotation with respect to the reflection element, can be provided. The two sensor elements can be arranged offset by 90 °.

Ein Messabstand zwischen der Oberfläche des Reflektionselements, die dem Sensorelement zugewandt ist und dem Sensorelement kann abhängig von einer Winkelposition des Reflektionselements in Bezug auf die Drehachse veränderlich sein. Je kleiner der Messabstand ist, umso kleiner ist die Laufzeit des Sensorsignals.A measuring distance between the surface of the reflection element that faces the sensor element and the sensor element can be variable depending on an angular position of the reflection element with respect to the axis of rotation. The smaller the measuring distance, the shorter the running time of the sensor signal.

Über die mit Änderung des Messabstands korrelierte Laufzeit des Sensorsignals kann auf eine Winkelposition des Reflektionselements geschlossen werden. Der Messabstand kann sich umfangsseitig zwischen einem minimalen und einem maximalen Messabstand konstant um einen an dem Reflektionselement ausgeführten Keilwinkel ändern. Der minimale und der maximale Messabstand in Bezug auf das Reflektionselement sind bevorzugt um 180° versetzt. Das jeweilige Reflektionselement kann eine Keilscheibe sein.An angular position of the reflection element can be concluded from the transit time of the sensor signal, which is correlated with the change in the measuring distance. The circumference of the measurement distance can change constantly between a minimum and a maximum measurement distance by a wedge angle implemented on the reflection element. The minimum and the maximum measuring distance with respect to the reflection element are preferably offset by 180 °. The respective reflection element can be a wedge disk.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das jeweilige Reflektionselement drehfest mit dem Drehbauteil verbunden oder einteilig mit dem Drehbauteil ausgeführt. Die Drehachse des Reflektionselements und eine Drehachse des Drehbauteils können konzentrisch sein.In a preferred embodiment of the invention, the respective reflection element is connected in a rotationally fixed manner to the rotary component or in one piece with the Swivel component executed. The axis of rotation of the reflection element and an axis of rotation of the rotary component can be concentric.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind die Reflektionselemente um den Versatzwinkel verdreht angeordnet. Der Versatzwinkel kann über die n Reflektionselemente hinweg konstant und durch 360°/n festgelegt sein.In a special embodiment of the invention, the reflection elements are arranged rotated by the offset angle. The offset angle can be constant across the n reflection elements and fixed by 360 ° / n.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Messsignal des i-ten Reflektionselements durch eine lineare Approximation zwischen einem Schnittpunkt des i-ten Messsignals mit einem weiteren Messsignal und einem weiteren Schnittpunkt des i-ten Messsignals mit einem anderen weiteren Messsignal beschrieben.In a particularly preferred embodiment of the invention, the measurement signal of the ith reflection element is described by a linear approximation between an intersection of the ith measurement signal with another measurement signal and a further intersection of the ith measurement signal with another measurement signal.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung erfolgt die lineare Approximation in einem das Maximum und Minimum des i-ten Messsignals ausgrenzenden Messbereich. Der Messbereich kann auch das Maximum und das Minimum der angrenzenden Messsignale i-1 und i+1 ausgrenzen.In a special embodiment of the invention, the linear approximation is carried out in a measurement range which excludes the maximum and minimum of the i-th measurement signal. The measuring range can also exclude the maximum and the minimum of the adjacent measuring signals i-1 and i + 1.

In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung ist die lineare Approximation in mehrere Winkelbereiche mit einer jedem Winkelbereich zugeordneten Geraden aufgeteilt und die Anzahl der Winkelbereiche über eine volle Periode des i-ten Messsignals ist gleich 2 · n.In a further special embodiment of the invention, the linear approximation is divided into several angular ranges with a straight line assigned to each angular range, and the number of angular ranges over a full period of the i-th measurement signal is 2 * n.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist über eine Zuordnungstabelle feststellbar, in welchem Winkelbereich das für die Ermittlung der Winkelposition über die lineare Approximation anzuwendende Messsignal liegt.In a special embodiment of the invention, an assignment table can be used to determine the angular range in which the measurement signal to be used for determining the angular position via the linear approximation lies.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird zusätzlich zu dem i-ten Messsignal ein diesem nachfolgendes Messsignal i+1 (Yi+1) und ein diesem vorausgehendes Messsignal i-1 (Yi-1) erfasst und davon abhängig die Winkelposition ω ermittelt.In a particularly preferred embodiment of the invention, in addition to the i-th measurement signal, a measurement signal i + 1 (Y i + 1 ) following this and a measurement signal i-1 (Y i-1 ) preceding this is recorded and the angular position as a function thereof ω determined.

Das Messsignal Yi des i-ten Reflektionselement kann über den Drehwinkel φ wie folgt beschrieben werden Y i = c o s ( φ + φ 0 )

Figure DE102018131708A1_0001
The measurement signal Y i of the i-th reflection element can be via the angle of rotation φ be described as follows Y i = c O s ( φ + φ 0 )
Figure DE102018131708A1_0001

Das Messsignal Yi+ des nachfolgenden Reflektionselements i+1 kann wie folgt beschrieben werden Y i + 1 = c o s ( φ + α + φ 0 )

Figure DE102018131708A1_0002
und das Messsignal Yi-1 des vorausgehenden Reflektionselements i-1 kann wie folgt beschrieben werden Y i 1 = c o s ( φ α + φ 0 )
Figure DE102018131708A1_0003
The measurement signal Y i + of the subsequent reflection element i + 1 can be described as follows Y i + 1 = c O s ( φ + α + φ 0 )
Figure DE102018131708A1_0002
and the measurement signal Y i-1 of the preceding reflection element i-1 can be described as follows Y i - 1 = c O s ( φ - α + φ 0 )
Figure DE102018131708A1_0003

Das Messsignal Yi+1 ist gegenüber dem Messsignal Yi um den Versatzwinkel α und das das Messsignal Yi-1 ist gegenüber dem Messsignal Yi um den Versatzwinkel -α verschoben, wobei der Versatzwinkel α wie folgt von der Anzahl der Messsignale n abhängt α = 2 π n

Figure DE102018131708A1_0004
The measurement signal Y i + 1 is compared to the measurement signal Y i by the offset angle α and that the measurement signal Y i-1 is shifted relative to the measurement signal Y i by the offset angle -α, the offset angle α as follows from the number of measurement signals n depends α = 2nd π n
Figure DE102018131708A1_0004

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Winkelposition ω abhängig von einer Differenz der Messsignale i+1 (Yi-+) und i-1 (Yi+1) ermittelt. Die Winkelposition des Drehbauteils kann ausgehend von dem Messsignal i abhängig von einer Differenz des Messsignals i-1 und i+1 wie nachfolgend beschrieben ermittelt werden. Die Messsignaldifferenz ist dabei Y i + 1 Y i 1 = c o s ( φ + α + φ 0 ) c o s ( φ α + φ 0 )

Figure DE102018131708A1_0005
und kann nachfolgend vereinfacht werden zu Y i + 1 Y i 1 = 2 s i n ( φ + φ 0 ) s i n α
Figure DE102018131708A1_0006
In a preferred embodiment of the invention, the angular position ω determined depending on a difference between the measurement signals i + 1 (Y i- + ) and i-1 (Y i + 1 ). The angular position of the rotary component can be determined on the basis of the measurement signal i as a function of a difference between the measurement signals i-1 and i + 1 as described below. The measurement signal difference is included Y i + 1 - Y i - 1 = c O s ( φ + α + φ 0 ) - c O s ( φ - α + φ 0 )
Figure DE102018131708A1_0005
and can be simplified below Y i + 1 - Y i - 1 = - 2nd s i n ( φ + φ 0 ) - s i n α
Figure DE102018131708A1_0006

Damit kann das i-te Messsignal Yi über Y i '

Figure DE102018131708A1_0007
wie folgt umschrieben werden Y i ' = s i n ( φ + φ 0 ) = Y i 1 Y i + 1 2 s i n α
Figure DE102018131708A1_0008
The i-th measurement signal Y i can thus be Y i '
Figure DE102018131708A1_0007
can be described as follows Y i ' = s i n ( φ + φ 0 ) = Y i - 1 - Y i + 1 2nd s i n α
Figure DE102018131708A1_0008

Dabei ist sinα eine von der Anzahl der Messsignale gemäß (4) abhängige Konstante.Sinα is a constant that depends on the number of measurement signals according to (4).

Alle Messsignale Yi mit i = 1 ... n werden gemessen und über (1) beschrieben. Anschließend erfolgt eine Umformung der jeweiligen Messsignale über (7). Diese beiden Darstellungen werden anschließend wie folgt zur Ermittlung der Winkelposition ωi des Drehbauteils jeweils ausgehend von dem i-ten Messsignal verwendet ω i = φ + φ 0 = a t a n 2 ( Y i , Y i 1 Y i + 1 2 s i n α )

Figure DE102018131708A1_0009
All measurement signals Y i with i = 1 ... n are measured and described via (1). The respective measurement signals are then transformed via (7). These two representations are then used as follows to determine the angular position ω i of the rotary component, based in each case on the i-th measurement signal ω i = φ + φ 0 = a t a n 2nd ( Y i , Y i - 1 - Y i + 1 2nd s i n α )
Figure DE102018131708A1_0009

In einem nachfolgenden Datenfusionsverfahren können die von jedem Messsignal i jeweils ausgehend ermittelten Winkelpositionen ωi wie folgt zu der Winkelposition des Drehbauteils ω zusammengeführt werden ω = i = 1 n ω i n

Figure DE102018131708A1_0010
gültig für eine gerade Anzahl n an Messsignalen und ω i = i = 1 n ω i n ± α 2
Figure DE102018131708A1_0011
gültig für eine ungerade Anzahl n an Messsignalen. Durch das Datenfusionsverfahren können auftretende Fehler, beispielsweise eine Sensorrauschen oder Toleranzfehler, bei der Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils verringert werden.In a subsequent data fusion method, the angular positions ω i determined based on each measurement signal i can be related to the angular position of the rotary component as follows ω be brought together ω = i = 1 n ω i n
Figure DE102018131708A1_0010
valid for an even number n on measurement signals and ω i = i = 1 n ω i n ± α 2nd
Figure DE102018131708A1_0011
valid for an odd number n on measurement signals. The data fusion method can be used to reduce errors that occur, for example sensor noise or tolerance errors, in the detection of the angular position of the rotary component.

Weiterhin wird wenigstens eine der zuvor genannten Aufgaben durch eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils gelöst, aufweisend ein Sensorelement mit einem Sendeelement, welches ein Sensorsignal aussendet und einem Empfangselement, welches das Sensorsignal empfängt, ein mit dem Drehbauteil verbundenes und sich um eine Drehachse drehbares erstes Reflektionselement, welches das Sensorsignal reflektiert, und das Empfangselement das reflektierte Sensorsignal empfängt, wobei die Laufzeit des Sensorsignals als Messsignal erfasst wird und das erste Reflektionselement einen abhängig von der Drehung um die Drehachse veränderlichen, von dem Sensorsignal durchlaufenen Messabstand und damit eine periodische Änderung des Messsignals bewirkt, wobei die Erfassung der Winkelposition des Reflektionselements durch ein Verfahren mit wenigstens einem der zuvor diesbezüglich angegebenen Merkmale erfolgt.Furthermore, at least one of the aforementioned tasks is solved by a sensor unit for detecting an angular position of a rotating component, comprising a sensor element with a transmitting element that transmits a sensor signal and a receiving element that receives the sensor signal, a sensor element that is connected to the rotating component and rotatable about an axis of rotation first reflection element, which reflects the sensor signal, and the receiving element receives the reflected sensor signal, the transit time of the sensor signal being recorded as a measurement signal, and the first reflection element having a measurement distance which is variable as a function of the rotation about the axis of rotation and which the sensor signal traverses, and thus a periodic change in the Measurement signal causes, wherein the detection of the angular position of the reflection element is carried out by a method with at least one of the features previously specified in this regard.

Dadurch kann die Messgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit verbessert werden.As a result, the measurement accuracy and the reliability of the sensor unit can be improved.

Weiterhin wird ein Elektromotor, aufweisend einen Stator und einen drehbaren Rotor und eine vorstehend beschriebene Sensoreinheit vorgeschlagen, wobei der Rotor das Drehbauteil umfasst oder als Drehbauteil ausgebildet ist. Dadurch kann die Motoreffizienz und die Motorleistung erhöht werden. Der Elektromotor kann in einem Kupplungsaktor zur automatisierten Kupplungsbetätigung eingebaut seinFurthermore, an electric motor is proposed, comprising a stator and a rotatable rotor and a sensor unit described above, the rotor comprising the rotary component or being designed as a rotary component. This can increase engine efficiency and performance. The electric motor can be installed in a clutch actuator for automated clutch actuation

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.Further advantages and advantageous embodiments of the invention result from the description of the figures and the figures.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

  • 1: Eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 2: Messsignale der Sensoreinheit aus 1.
  • 3: Eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 4: Messsignale der Sensoreinheit aus 3.
  • 5: Eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 6: Messsignale der Sensoreinheit aus 5.
  • 7: Messsignal einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 8: Messsignale einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 9: Messsignale und Zuordnungstabelle einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 10: Messsignale einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 11: Messsignale einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 12: Winkelfehlerdiagramm einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsformen der Erfindung.
  • 13: Einflüsse von Nichtlinearitäten dritter Ordnung auf eine Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
  • 14: Winkelfehlerdiagramm einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
The invention is described in detail below with reference to the figures. They show in detail:
  • 1 : A spatial view of a sensor unit in a special embodiment of the invention.
  • 2nd : Measurement signals from the sensor unit off 1 .
  • 3rd : A spatial view of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 4th : Measurement signals from the sensor unit off 3rd .
  • 5 : A spatial view of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 6 : Measurement signals from the sensor unit off 5 .
  • 7 Measurement signal of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 8th Measurement signals of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 9 : Measurement signals and assignment table of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 10th Measurement signals of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 11 Measurement signals of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 12 : Angle error diagram of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 13 : Influences of third-order nonlinearities on a sensor unit in a further special embodiment of the invention.
  • 14 : Angle error diagram of a sensor unit in a further special embodiment of the invention.

1 zeigt eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit 10 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Sensoreinheit 10 dient der Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils. Das Drehbauteil ist hier nicht dargestellt, ist aber mit einem ersten Reflektionselement 12 drehfest verbunden und um eine Drehachse drehbar. Das erste Reflektionselement 12 ist um eine Drehachse drehbar, die konzentrisch zu der Drehachse des Drehbauteils ist. 1 shows a spatial view of a sensor unit 10th in a special embodiment of the invention. The sensor unit 10th is used to detect an angular position of a rotating component. The rotating component is not shown here, but is with a first reflection element 12 non-rotatably connected and rotatable about an axis of rotation. The first reflection element 12 is rotatable about an axis of rotation which is concentric with the axis of rotation of the rotary component.

Zusätzlich zu dem ersten Reflektionselement 12 sind konzentrisch dazu und jeweils konzentrisch zueinander ein zweites Reflektionselement 14, ein drittes Reflektionselement 16 und ein viertes Reflektionselement 18 angeordnet und jeweils mit dem Drehbauteil drehfest verbunden. Ein Aussendurchmesser des zweiten Reflektionselements 14 ist kleiner als ein Innendurchmesser des ersten Reflektionselements 12. Ein Aussendurchmesser des dritten Reflektionselements 16 ist kleiner als ein Innendurchmesser des zweiten Reflektionselements 14. Der Aussendurchmesser des vierten Reflektionselements 18 ist kleiner als ein Innendurchmesser des dritten Reflektionselements 16.In addition to the first reflection element 12 are concentric to this and each concentric to each other a second reflection element 14 , a third reflection element 16 and a fourth Reflection element 18th arranged and each rotatably connected to the rotary member. An outer diameter of the second reflection element 14 is smaller than an inner diameter of the first reflection element 12 . An outside diameter of the third reflection element 16 is smaller than an inner diameter of the second reflection element 14 . The outside diameter of the fourth reflection element 18th is smaller than an inner diameter of the third reflection element 16 .

Das Sensorelement 20 kann als Ultraschallarray ausgeführt sein und weist ein Sendeelement, welches ein Sensorsignal 22 aussendet und ein Empfangselement, welches das Sensorsignal 22 empfängt, auf. Das Sendeelement und Empfangselement können das gleiche Bauteil darstellen, indem das Ultraschallarray beispielsweise zwischen einer Sendefunktion und einer Empfangsfunktion wechselt. Das um eine Drehachse drehbare erste Reflektionselement 12 reflektiert das von dem Sensorelement 20 ausgesendete Sensorsignal 22. Das Empfangselement des Sensorelements 20 erfasst die Laufzeit des vom dem ersten Reflektionselement 12 reflektierten Sensorsignals 22 als erstes Messsignal.The sensor element 20th can be designed as an ultrasound array and has a transmission element which receives a sensor signal 22 sends out and a receiving element, which the sensor signal 22 receives on. The transmitting element and receiving element can represent the same component in that the ultrasound array changes, for example, between a transmitting function and a receiving function. The first reflection element rotatable about an axis of rotation 12 reflects that from the sensor element 20th emitted sensor signal 22 . The receiving element of the sensor element 20th captures the term of the first reflection element 12 reflected sensor signal 22 as the first measurement signal.

Die Laufzeit des Sensorsignals 22 ist von einem Messabstand zwischen der Oberfläche 24 des ersten Reflektionselements 12, die dem Sensorelement 20 zugewandt ist und dem Sensorelement 20 abhängig. Der Messabstand wiederum ist von einer Winkelposition des ersten Reflektionselements 12 in Bezug auf die Drehachse abhängig und veränderlich. Je kleiner der Messabstand ist, umso kleiner ist die Laufzeit des Sensorsignals 22. Über die mit Änderung des Messabstands korrelierte Laufzeit des Sensorsignals 22 kann auf eine Winkelposition des ersten Reflektionselements 12 geschlossen werden. Der Messabstand kann sich umfangsseitig zwischen einem minimalen und einem maximalen Messabstand konstant um einen an dem ersten Reflektionselement 12 ausgeführten Keilwinkel ändern. Der minimale und der maximale Messabstand in Bezug auf das erste Reflektionselement 12 sind bevorzugt um 180° versetzt.The runtime of the sensor signal 22 is from a measuring distance between the surface 24th of the first reflection element 12 that the sensor element 20th is facing and the sensor element 20th dependent. The measuring distance in turn is from an angular position of the first reflection element 12 dependent and changeable with respect to the axis of rotation. The smaller the measuring distance, the shorter the running time of the sensor signal 22 . Via the running time of the sensor signal correlated with a change in the measuring distance 22 can on an angular position of the first reflection element 12 getting closed. The measurement distance can be constant on the circumference between a minimum and a maximum measurement distance by one at the first reflection element 12 change the wedge angle. The minimum and maximum measuring distance in relation to the first reflection element 12 are preferably offset by 180 °.

Das erste, zweite, dritte und vierte Reflektionselement 12, 14, 16, 18 sind jeweils drehfest miteinander verbunden und als Keilscheiben ausgeführt. Das zweite Reflektionselement 14 ist gegenüber dem ersten Reflektionselement 12 um 90° versetzt. Das dritte Reflektionselement 16 ist gegenüber dem zweiten Reflektionselement 14 um 90° versetzt und gegenüber dem ersten Reflektionselement 12 um 180° versetzt. Das vierte Reflektionselement 18 ist gegenüber dem dritten Reflektionselement 16 um 90° versetzt und gegenüber dem zweiten Reflektionselement 14 um 180° und gegenüber dem ersten Reflektionselement um 270° versetzt.The first, second, third and fourth reflection element 12 , 14 , 16 , 18th are rotatably connected to each other and designed as wedge washers. The second reflection element 14 is opposite the first reflection element 12 offset by 90 °. The third reflection element 16 is opposite the second reflection element 14 offset by 90 ° and in relation to the first reflection element 12 offset by 180 °. The fourth reflection element 18th is opposite the third reflection element 16 offset by 90 ° and opposite the second reflection element 14 offset by 180 ° and 270 ° with respect to the first reflection element.

Die um den Versatzwinkel von 90° jeweils gegeneinander fest verdreht angeordneten Reflektionselemente 12, 14, 16, 18 reflektieren jeweils das von dem Sensorelement 20 ausgesendete Sensorsignal 22. Das Empfangselement empfängt die jeweils reflektierten Sensorsignale 22 und anschließend wird die Laufzeit des jeweiligen Sensorsignals als dem jeweiligen Reflektionselement 12, 14, 16, 18 zugeordnetes Messsignal erfasst.The reflection elements, which are rotated relative to each other by the offset angle of 90 ° 12 , 14 , 16 , 18th each reflect that from the sensor element 20th emitted sensor signal 22 . The receiving element receives the respectively reflected sensor signals 22 and then the transit time of the respective sensor signal as the respective reflection element 12 , 14 , 16 , 18th assigned measurement signal.

Der Bauteilverbund aus erstem, zweiten, dritten und vierten Reflektionselement 12, 14, 16, 18 wird durch die versetzte Anordnung untereinander ausgewuchtet und dadurch eine Belastung auf das Drehbauteil verringert.The composite of the first, second, third and fourth reflection element 12 , 14 , 16 , 18th is balanced with each other by the staggered arrangement and thereby reduces stress on the rotary component.

In 2 sind Messsignale der Sensoreinheit aus 1 dargestellt. Die Messsignale geben die Laufzeit des jeweiligen Sensorsignals abhängig von der Winkelposition wieder. Das erste Messsignal 112 ist das dem ersten Reflektionselement, das zweite Messsignal 114 ist das dem zweiten Reflektionselement, das dritte Messsignal 116 ist das dem dritten Reflektionselement und das vierte Messsignal 118 ist das dem vierten Reflektionselement zugeordnete Messsignal. Die Messsignale 112, 114, 116, 118 sind entsprechend dem Versatzwinkel zwischen den einzelnen Reflektionselementen von 90° ebenfalls um einen Winkel von 90° zueinander verschoben. Die Messsignale 112, 114, 116, 118 sind abhängig von dem Messabstand zwischen dem jeweiligen Reflektionselement und dem Sensorelement und verlaufen über den Winkel periodisch und können über eine Winkelfunktion beschrieben werden.In 2nd are measurement signals from the sensor unit 1 shown. The measurement signals reflect the transit time of the respective sensor signal depending on the angular position. The first measurement signal 112 is the first reflection element, the second measurement signal 114 is the second reflection element, the third measurement signal 116 is the third reflection element and the fourth measurement signal 118 is the measurement signal assigned to the fourth reflection element. The measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 are also shifted by an angle of 90 ° to each other in accordance with the offset angle between the individual reflection elements of 90 °. The measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 are dependent on the measuring distance between the respective reflection element and the sensor element and run periodically over the angle and can be described using an angle function.

3 zeigt eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Sensoreinheit 10 weist ein erstes Reflektionselement 12, ein konzentrisch zu diesem und um 120° versetzt angeordnetes zweites Reflektionselement 14 und ein konzentrisch zu dem ersten und zweiten Reflektionselement 12, 14 und um 120° versetzt zu dem zweiten Reflektionselement 14 angeordnetes drittes Reflektionselement 16 auf. 3rd shows a spatial view of a sensor unit 10th in a further special embodiment of the invention. The sensor unit 10th has a first reflection element 12 , a second reflection element arranged concentrically to this and offset by 120 ° 14 and a concentric with the first and second reflecting elements 12 , 14 and offset by 120 ° to the second reflection element 14 arranged third reflection element 16 on.

Das erste, zweite und dritte Reflektionselement 12, 14, 16 können das von dem Sensorelement 20 der Sensoreinheit 10 ausgehende Sensorsignal reflektieren und das Sensorelement 20 empfängt die jeweils reflektierten Sensorsignale. Deren Laufzeit wird als jeweiliges Messsignal, wie in 4 dargestellt, erfasst. Dem ersten Reflektionselement 12 ist das erste Messsignal 112, dem zweiten Reflektionselement 14 ist das zweite Messsignal 114 und dem dritten Reflektionselement 16 ist das dritte Messsignal 116 zugeordnet. Das erste, zweite und dritte Messsignal 112, 114, 116 sind gegenseitig um 120° verschoben.The first, second and third reflection element 12 , 14 , 16 can do that from the sensor element 20th the sensor unit 10th outgoing sensor signal and reflect the sensor element 20th receives the respective reflected sensor signals. Their runtime is used as the respective measurement signal, as in 4th shown, recorded. The first reflection element 12 is the first measurement signal 112 , the second reflection element 14 is the second measurement signal 114 and the third reflection element 16 is the third measurement signal 116 assigned. The first, second and third measurement signal 112 , 114 , 116 are mutually displaced by 120 °.

Bei einer Anordnung von drei Reflektionselementen können die Kosten einer Sensoreinheit gegenüber einer Sensoreinheit mit vier Reflektionselementen gesenkt werden. Allerdings kann eine Sensoreinheit mit vier Reflektionselementen besser ausgewuchtet werden als eine Sensoreinheit mit nur drei Reflektionselementen. With an arrangement of three reflection elements, the costs of a sensor unit can be reduced compared to a sensor unit with four reflection elements. However, a sensor unit with four reflection elements can be better balanced than a sensor unit with only three reflection elements.

Eine noch bessere Auswuchtung wird durch die in 5 gezeigte Anordnung einer Sensoreinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung erreicht. Dabei werden insgesamt fünf Reflektionselemente verwendet, wodurch eine gute Verteilung und ein besserer Ausgleich der Unwucht bewirkt werden kann.An even better balance is achieved by the in 5 shown arrangement of a sensor unit 10th achieved in a further special embodiment of the invention. A total of five reflection elements are used, which allows a good distribution and a better compensation of the unbalance.

Die Sensoreinheit 10 weist ein erstes Reflektionselement 12, ein konzentrisch zu diesem und um 90° versetzt angeordnetes zweites Reflektionselement 14, ein konzentrisch zu dem ersten und zweiten Reflektionselement 12, 14 und um 72° versetzt zu dem zweiten Reflektionselement 14 angeordnetes drittes Reflektionselement 16, ein zu dem dritten Reflektionselement 14 um 72° versetzt angeordnetes viertes Reflektionselement 18 und ein gegenüber dem vierten Reflektionselement 18 um 72° versetzt angeordnetes fünftes Reflektionselement 26 auf.The sensor unit 10th has a first reflection element 12 , a second reflection element arranged concentrically to this and offset by 90 ° 14 , a concentric to the first and second reflecting element 12 , 14 and offset by 72 ° to the second reflection element 14 arranged third reflection element 16 , one to the third reflection element 14 fourth reflection element offset by 72 ° 18th and one opposite to the fourth reflection element 18th fifth reflection element offset by 72 ° 26 on.

Die Reflektionselemente 12, 14, 16, 18, 26 können das von dem Sensorelement 20 der Sensoreinheit 10 ausgehende Sensorsignal jeweils reflektieren und das Sensorelement 20 empfängt die jeweiligen Sensorsignale. Die der Laufzeit der jeweiligen Sensorsignale entsprechenden Messsignale sind in 6 dargestellt. Dem ersten Reflektionselement 12 ist das erste Messsignal 112, dem zweiten Reflektionselement 14 ist das zweite Messsignal 114, dem dritten Reflektionselement 16 ist das dritte Messsignal 116, dem vierten Reflektionselement 18 ist das vierte Messsignal 114 und dem fünften Reflektionselement 26 ist das fünfte Messsignal 126 zugeordnet. Das erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Messsignal 112, 114, 116, 118, 126 sind gegenseitig um 72° verschoben.The reflection elements 12 , 14 , 16 , 18th , 26 can do that from the sensor element 20th the sensor unit 10th outgoing sensor signal and reflect the sensor element 20th receives the respective sensor signals. The measurement signals corresponding to the transit time of the respective sensor signals are shown in 6 shown. The first reflection element 12 is the first measurement signal 112 , the second reflection element 14 is the second measurement signal 114 , the third reflection element 16 is the third measurement signal 116 , the fourth reflection element 18th is the fourth measurement signal 114 and the fifth reflection element 26 is the fifth measurement signal 126 assigned. The first, second, third, fourth and fifth measurement signal 112 , 114 , 116 , 118 , 126 are mutually shifted by 72 °.

7 zeigt ein Messsignal einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das über den Winkel periodisch verlaufende und durch eine Winkelfunktion abbildbare Messsignal 28 wird in mehrere Winkelbereiche 30 eingeteilt. In jedem Winkelbereich 30 wird dem Messsignal 28 eine lineare Approximation 32 anhand einer jeweiligen Geraden 34 zugeordnet. 7 shows a measurement signal of a sensor unit in a further special embodiment of the invention. The measurement signal that runs periodically over the angle and can be represented by an angle function 28 is in several angular ranges 30th assigned. In every angular range 30th becomes the measurement signal 28 a linear approximation 32 based on a respective straight line 34 assigned.

In einem das Maximum und das Minimum des Messsignals 28 ausgrenzenden Messbereich 36 ist durch die lineare Approximation 32 eine Annäherung an das eigentliche Messsignal 28 mit kleinerer Abweichung als in dem verbleibenden, ausgegrenzten Bereich möglich.In one the maximum and the minimum of the measurement signal 28 excluding measuring range 36 is by linear approximation 32 an approximation to the actual measurement signal 28 with a smaller deviation than possible in the remaining, excluded area.

Die lineare Approximation 32 kann wie in 8 dargestellt, die Messsignale einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung abbildet, verwendet werden, um die Winkelposition des Drehbauteils zu ermitteln. Dabei wird eine Winkelposition des Drehbauteils durch Anwendung von fünf Reflektionselementen, die jeweils ein erstes, zweites, drittes, viertes und fünftes Messsignal 112, 14, 116, 118, 126 auslösen, ermittelt. In einem das Maximum und Minimum aller Messsignale ausschließenden Messbereich 36 wird jeweils zwischen zwei Schnittpunkten 40 der Messsignale 112, 114, 116, 118, 126 eine lineare Approximation 32 durchgeführt. Die jeweiligen Messsignale 112, 114, 116, 118, 126 bestehen aus mehreren Messwerten, die beispielsweise durch Anwendung einer Abtastrate des Sensorelements erfasst werden.The linear approximation 32 can like in 8th shown, the measurement signals of a sensor unit in a further special embodiment of the invention, are used to determine the angular position of the rotary component. An angular position of the rotary component is determined by using five reflection elements, each of which has a first, second, third, fourth and fifth measurement signal 112 , 14 , 116 , 118 , 126 trigger, determined. In a measuring range that excludes the maximum and minimum of all measuring signals 36 is between two intersections 40 of the measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 , 126 a linear approximation 32 carried out. The respective measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 , 126 consist of several measured values, which are recorded, for example, by using a sampling rate of the sensor element.

Die lineare Approximation 32 in dem Messbereich 36 ermöglicht eine Abbildung des periodisch verlaufenden jeweiligen Messsignals in dem Messbereich 36 durch jeweilige Geraden 34, durch die wiederum die Winkelposition des dem Messwert 44 zugeordneten Reflektionselements und damit die Winkelposition des Drehbauteils ermittelt wird.The linear approximation 32 in the measuring range 36 enables the periodically running measurement signal to be mapped in the measurement range 36 through respective straight lines 34 , which in turn determines the angular position of the measured value 44 assigned reflection elements and thus the angular position of the rotary component is determined.

Der Ausschnitt A verdeutlicht die bestehende, allerdings geringe Abweichung 46 zwischen dem tatsächlich gemessenen Messsignal 114 und der linearen Approximation 32.The cutout A illustrates the existing, albeit minor, deviation 46 between the actually measured measurement signal 114 and the linear approximation 32 .

9 zeigt Messsignale und eine Zuordnungstabelle 48 einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Mit dem Drehbauteil sind insgesamt n = 5 sich jeweils um die Drehachse drehbare und um einen jeweiligen Versatzwinkel, hier um 72°, jeweils gegeneinander fest verdreht angeordnete Reflektionselemente verbunden. Die fünf Reflektionselemente reflektieren jeweils das Sensorsignal und die Laufzeit der n = 5 reflektierten Sensorsignale wird jeweils als dem jeweiligen ersten bis n-ten Reflektionselement zugeordnetes erstes bis n-tes Messsignal 112, 114, 116, 118, 126 erfasst, die ebenfalls jeweils gegenseitig um den jeweiligen Versatzwinkel α verschoben sind. 9 shows measurement signals and an assignment table 48 a sensor unit in a further special embodiment of the invention. A total of n = 5 reflection elements which are rotatable about the axis of rotation and are arranged at a respective offset angle, here by 72 °, are rotatably connected to the rotating component. The five reflection elements each reflect the sensor signal and the transit time of the n = 5 reflected sensor signals is in each case as the first to nth measurement signal assigned to the respective first to nth reflection element 112 , 114 , 116 , 118 , 126 recorded, which also each other by the respective offset angle α are moved.

Der Versatzwinkel α der Messsignale ist über die n Reflektionselemente hinweg konstant und durch 360°/n, hier mit n = 5 entsprechend 72°, festgelegt. Eine Winkelposition des Drehbauteils wird abhängig von einem Messwert eines der Reflektionselemente i ∈ n, hier von einem Messwert des ersten Messsignals 112, einem Messwert des einerseits benachbarten Reflektionselements i - 1, hier einem Messwert des dritten Messsignals 116 und einem Messwert des andererseits benachbarten Reflektionselements i + 1, hier einem Messwert des vierten Messsignals 118, ermittelt. Das Messsignal des i-ten Reflektionselements, hier das Messsignal 112 wird durch eine lineare Approximation 32 zwischen einem Schnittpunkt 40 des durch das i-te Reflektionselement erzeugten i-ten Messsignals, hier des ersten Messsignals 112, mit dem dritten Messsignal 116 und dem vierten Messsignal 118 abgebildet. Bei der linearen Approximation 32 wird eine Gerade 34 gebildet. Die lineare Approximation 32 erfolgt in einem das Maximum und Minimum des ersten Messsignals 112 ausgrenzenden Messbereich 36, der durch einen oberen Grenzwert B und einen unteren Grenzwert -B der Amplitude aufgespannt wird.The offset angle α the measurement signals are constant across the n reflection elements and fixed by 360 ° / n, here with n = 5 corresponding to 72 °. An angular position of the rotary component is dependent on a measured value of one of the reflection elements i ∈ n, here on a measured value of the first measurement signal 112 , a measured value of the on the one hand adjacent reflection element i - 1, here a measured value of the third measurement signal 116 and a measured value of the reflection element i + 1, which is adjacent on the other hand, here a measured value of the fourth measurement signal 118 , determined. The measurement signal of the i-th reflection element, here the measurement signal 112 is done by a linear approximation 32 between one Intersection 40 of the i-th measurement signal generated by the i-th reflection element, here the first measurement signal 112 , with the third measurement signal 116 and the fourth measurement signal 118 pictured. With linear approximation 32 becomes a straight line 34 educated. The linear approximation 32 takes place in a the maximum and minimum of the first measurement signal 112 excluding measuring range 36 by an upper limit B and a lower limit -B of the amplitude is spanned.

Der einer hier beispielhaft angenommenen Winkelposition ω des Drehbauteils entsprechende Messwert 52 ist hier ein der linearen Approximation 32 des ersten Messsignals 112 zugeordneter Messwert. Allerdings kann der einer von dieser Winkelposition ω abweichenden ersten Winkelposition entsprechende Messwert auch der linearen Approximation eines der n-1 weiteren Messsignale 114, 116, 118, 126 zugeordnet sein, je nachdem welchem Winkel die Winkelposition ω des Drehbauteils entspricht.An angular position assumed here as an example ω corresponding measured value of the rotating component 52 here is one of the linear approximation 32 of the first measurement signal 112 assigned measured value. However, the one from this angular position ω deviating first angular position also corresponds to the linear approximation of one of the n-1 further measurement signals 114 , 116 , 118 , 126 be assigned, depending on which angle the angular position ω corresponds to the rotating component.

Um einordnen zu können, welche der linearen Approximationen 32 der n Messsignale 112, 114, 116, 118, 126 zur Ermittlung der Winkelposition angenommen wird, ist die volle Periode des ersten Messsignals 112 in mehrere Winkelbereiche 30 mit einer jedem Winkelbereich 30 zugeordneten Geraden 34 aufgeteilt, wobei die Anzahl der Winkelbereiche 30 gleich 2 · n, hier entsprechend zehn, ist. Die Feststellung, welcher der Winkelbereiche 30 bei der Ermittlung der jeweils vorliegenden Winkelposition ω über die in jedem Winkelbereich 30 erfolgende lineare Approximation 32 herangezogen werden soll, wird über die Zuordnungstabelle 48 getroffen. Die Zuordnungstabelle 48 gibt für die fünf Messsignale S1 bis S5, entsprechend den Messsignalen 112, 114, 116, 118, 126 die jeweiligen Bedingungen an, die die Messsignale S1 bis S5 erfüllen müssen, um den jeweils zur Bestimmung der Winkelposition heranzuziehenden Winkelbereich 30 zuordnen zu können.To be able to classify which of the linear approximations 32 of the n measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 , 126 to determine the angular position is the full period of the first measurement signal 112 in several angular ranges 30th with any angular range 30th assigned straight lines 34 divided, the number of angular ranges 30th is equal to 2 · n, here corresponding to ten. Determining which of the angular ranges 30th when determining the respective angular position ω over that in every angular range 30th linear approximation 32 is to be used via the assignment table 48 met. The mapping table 48 gives for the five measurement signals S1 to S5 , according to the measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 , 126 the respective conditions that the measurement signals S1 to S5 must meet in order to determine the angular range to be used for determining the angular position 30th to be able to assign.

Bei dem Beispiel des hier dargestellten Messwerts 52, ist der diesen umfassende Winkelbereich deswegen ausgewählt worden, da das fünfte Messsignal S5 als unterhalb des unteren Grenzwerts -B liegend, das zweite Messsignal 114 und das dritte Messsignal 116 als jeweils oberhalb des oberen Grenzwerts B liegend und das vierte Messsignal als unterhalb des unteren Grenzwerts -B liegend, gemessen wurde. Damit ist das erste Messsignal 112 in diesem Winkelbereich 30 das ausgewählte, bei dem die lineare Approximation 32 über folgenden allgemein für alle Winkelbereiche gültigen Zusammenhang zur Bestimmung der Winkelposition ω des Drehbauteils durchgeführt wird ω = α 0 + A B 180 n

Figure DE102018131708A1_0012
mit dem bekannten, den Anfang des betreffenden Winkelbereichs 30 angebenden Startwinkel α0 .In the example of the measured value shown here 52 , the angular range encompassing this was selected because the fifth measurement signal S5 as below the lower limit -B, the second measurement signal 114 and the third measurement signal 116 than above the upper limit B lying and the fourth measurement signal was measured as being below the lower limit -B. This is the first measurement signal 112 in this angular range 30th the selected one where the linear approximation 32 Using the following relationship, which generally applies to all angular ranges, for determining the angular position ω of the rotating component is carried out ω = α 0 + A B 180 n
Figure DE102018131708A1_0012
with the known, the beginning of the angular range in question 30th specified starting angle α 0 .

Durch die Zuordnungstabelle 48 wird aus den n Messsignalen immer der Messwert A desjenigen Messsignals zur Ermittlung der Winkelposition nach (11) ausgewählt, das in dem Winkelbereich als dem Messwert A zugeordnetes Messsignal angegeben ist, wobei der Winkelbereich über die abgefragten Bedingungen der restlichen Messsignale vorgegeben wird. Die jeweils ausgewählten und den Messwert A vorgebenden Messsignale durchlaufen in dem zugehörigen Messbereich 30 alle den Nulldurchgang.Through the assignment table 48 the measurement value always becomes from the n measurement signals A of the measurement signal to determine the angular position according to ( 11 ) selected in the angular range as the measured value A assigned measurement signal is specified, the angular range being specified via the queried conditions of the remaining measurement signals. The respectively selected and the measured value A specified measuring signals pass through in the associated measuring range 30th all the zero crossing.

Die Winkelposition ω des Drehbauteils wird über den Startwinkel, der bei dem Beispiel des hier liegenden Messwerts 52 180° ist, den Betrag des Grenzwerts B, hier beispielsweise 0,3 und die Anzahl n an Messsignalen über (11) abhängig von dem Messwert A ermittelt. Dadurch kann eine zuverlässige und genaue Ermittlung einer Winkelposition des Drehbauteils erfolgen.The angular position ω of the rotating component is determined by the starting angle, which in the example of the measured value lying here 52 Is 180 °, the amount of the limit B , here for example 0.3 and the number n on measurement signals via ( 11 ) depending on the measured value A determined. This enables a reliable and precise determination of an angular position of the rotary component.

Die über den Winkelbereich ausgewählten und den Messwert A bildenden Messsignale liegen bei gerader Anzahl n an Messsignalen im positiven Bereich wie in 10 dargestellt, bei der ein erstes, zweites, drittes und viertes Messsignal 112, 114, 116, 118 verwendet werden. Bei ungerader Anzahl n an Messsignalen durchlaufen die ausgewählten und den Messwert A bildenden Messsignale den Nulldurchgang, wie in 11 mit fünf Messsignalen 112, 114, 116, 118, 126 gezeigt.The selected over the angular range and the measured value A measuring signals are an even number n on measurement signals in the positive range as in 10th shown in which a first, second, third and fourth measurement signal 112 , 114 , 116 , 118 be used. If the number is odd n the selected and the measured value pass through the measurement signals A measuring signals forming the zero crossing, as in 11 with five measurement signals 112 , 114 , 116 , 118 , 126 shown.

In 12 ist ein Winkelfehlerdiagramm einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Mit zunehmender Anzahl an Messsignalen nimmt der Winkelfehler y als die Abweichung zwischen der linearen Approximation und den tatsächlichen Messwerten ab. Dabei hängt der Winkelfehler y bei gleicher Anzahl an Messsignalen davon ab, ob die Anzahl an Messsignalen wie durch den Verlauf 128 veranschaulicht gerade oder wie bei dem Verlauf 130 ungerade ist. Dies liegt auch an der in den 10 und 11 in Bezug auf die periodische Winkelfunktion gelegenen linearen Approximation, die bei gerader Anzahl an Messsignalen im positiven Bereich liegt, bei ungerader Anzahl hingegen den Nulldurchgang durchläuft.In 12 An angular error diagram of a sensor unit is shown in a further special embodiment of the invention. The angular error increases with an increasing number of measurement signals y than the deviation between the linear approximation and the actual measured values. The angle error depends y with the same number of measurement signals, it depends on whether the number of measurement signals is as determined by the course 128 illustrates straight or as in the course 130 is odd. This is also due to that in the 10th and 11 in relation to the periodic angular function linear approximation, which is in the positive range with an even number of measurement signals, on the other hand passes through the zero crossing with an odd number.

Der Winkelfehler y(n) kann bei ungerader Anzahl n an Messsignalen wie folgt ausgedrückt werden y ( n 3 ) = ( 2.45 n ) 3

Figure DE102018131708A1_0013
The angular error y (n) can be an odd number n on measurement signals are expressed as follows y ( n 3rd ) = ( 2.45 n ) 3rd
Figure DE102018131708A1_0013

Der Winkelfehler y(n) kann bei gerader Anzahl n an Messsignalen wie folgt ausgedrückt werden y ( n 3 ) = ( 2 2.45 n ) 3

Figure DE102018131708A1_0014
The angular error y (n) can with an even number n on measurement signals are expressed as follows y ( n 3rd ) = ( 2nd 2.45 n ) 3rd
Figure DE102018131708A1_0014

Die lineare Approximation der Messsignale ist dabei anfällig gegenüber Nichtlinearitäten in den Messsignalen. Eine typische Nichtlinearität ist die dritter Ordnung in dem Messsignal s, die abhängig von der Winkelposition ω durch folgenden Zusammenhang beschrieben wird s = c o s ( ω ) + c c o s ( 3 ω )

Figure DE102018131708A1_0015
und deren Einfluss für verschiedene Nichtlinearitätsparameter c 13 zeigt.The linear approximation of the measurement signals is susceptible to non-linearities in the measurement signals. A typical non-linearity is the third order in the measurement signal s, which is dependent on the angular position ω is described by the following context s = c O s ( ω ) + c c O s ( 3rd ω )
Figure DE102018131708A1_0015
and their influence for various non-linearity parameters c 13 shows.

Auch können weitere Nichtlinearitäten x-ter Ordnung auftreten, womit folgender Zusammenhang vorliegt s = c o s ( ω ) + c c o s ( x ω )

Figure DE102018131708A1_0016
Further x-order nonlinearities can also occur, with which the following relationship exists s = c O s ( ω ) + c c O s ( x ω )
Figure DE102018131708A1_0016

In 14 ist ein Winkelfehlerdiagramm einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Der Winkelfehler y hängt von dem Nichtlinearitätsparameter c wie folgt ab y = a ( 1 1 c + 1 )

Figure DE102018131708A1_0017
mit der Systemkonstanten a, die wiederum von der Anzahl der Messsignale abhängt. Ist der Winkelfehler y bei Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung der Winkelposition zu hoch, kann die Anzahl an Messsignalen erhöht werden, bis die erforderliche Genauigkeit der linearen Approximation erreicht wird.In 14 An angular error diagram of a sensor unit is shown in a further special embodiment of the invention. The angular error y depends on the non-linearity parameter c as follows y = a ( 1 - 1 c + 1 )
Figure DE102018131708A1_0017
with the system constant a , which in turn depends on the number of measurement signals. Is the angular error y If the method for determining the angular position is carried out too high, the number of measurement signals can be increased until the required accuracy of the linear approximation is achieved.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010th
SensoreinheitSensor unit
1212
erstes Reflektionselementfirst reflection element
1414
zweites Reflektionselementsecond reflection element
1616
drittes Reflektionselementthird reflection element
1818th
viertes Reflektionselementfourth reflection element
2020th
SensorelementSensor element
2222
SensorsignalSensor signal
2424th
Oberflächesurface
2626
fünftes Reflektionselementfifth reflection element
2828
MesssignalMeasurement signal
3030th
WinkelbereichAngular range
3232
lineare Approximationlinear approximation
3434
GeradeStraight
3636
MessbereichMeasuring range
4040
SchnittpunktIntersection
4242
MesswertgradientMeasured value gradient
4444
MesswertReading
4646
Abweichungdeviation
4848
ZuordnungstabelleMapping table
5050
MesswertgradientMeasured value gradient
52, A52, A.
MesswertReading
112, S1112, S1
erstes Messsignalfirst measurement signal
114, S2114, S2
zweites Messsignalsecond measurement signal
116, S3116, S3
drittes Messsignalthird measurement signal
118, S4118, S4
viertes Messsignalfourth measurement signal
126, S5126, S5
fünftes Messsignalfifth measurement signal
128128
Verlaufcourse
130130
Verlauf course
α0 α 0
StartwinkelStarting angle
αα
VersatzwinkelOffset angle
AA
MesswertReading
aa
System konstanteSystem constant
BB
Grenzwertlimit
cc
NichtlinearitätsparameterNon-linearity parameters
φφ
DrehwinkelAngle of rotation
nn
Anzahl MesssignaleNumber of measurement signals
ωω
WinkelpositionAngular position
yy
WinkelfehlerAngular error
YY
MesssignalMeasurement signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102018124232 [0002]DE 102018124232 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition (ω) eines Drehbauteils durch eine Sensoreinheit (10), aufweisend ein Sensorelement (20) mit einem Sendeelement, welches ein Sensorsignal (22) aussendet und einem Empfangselement, welches das Sensorsignal (22) empfängt, ein mit dem Drehbauteil verbundenes und sich um eine Drehachse drehbares erstes Reflektionselement (12), welches das Sensorsignal (22) reflektiert, und das Empfangselement das reflektierte Sensorsignal (22) empfängt, wobei die Laufzeit des Sensorsignals (22) als Messsignal (Y, 112) erfasst wird und das erste Reflektionselement (12) einen abhängig von der Drehung um die Drehachse veränderlichen, von dem Sensorsignal (22) durchlaufenen Messabstand und damit eine periodische Änderung des Messsignals (Y, 112) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Drehbauteil insgesamt n sich um die Drehachse drehbare und jeweils gegeneinander fest verdreht angeordnete Reflektionselemente (12, 14, 16, 18, 26) verbunden sind, welche jeweils das Sensorsignal (22) reflektieren und das Empfangselement diese jeweils reflektierten Sensorsignale (22) empfängt, wobei die jeweilige Laufzeit des Sensorsignals (22) als dem jeweiligen ersten bis n-ten Reflektionselement (12, 14, 16, 18, 26) zugeordnetes erstes bis n-tes Messsignal (Yi, 112, 114, 116, 118, 126) erfasst wird und die n Messsignale (Yi, 112, 114, 116, 118, 126) gegenseitig um den Versatzwinkel (α) verschoben sind, wobei die Anzahl n ≥ 3 ist und eine Winkelposition (ω) des Drehbauteils abhängig von einem Messsignal (Yi, 112, 114, 116, 118, 126) eines der Reflektionselemente i ∈ n (12, 14, 16, 18, 26), einem Messsignal (Yi-1) des einerseits benachbarten Reflektionselements i - 1 und einem Messsignal (Yi+1) des andererseits benachbarten Reflektionselements i + 1 ermittelt wird. Method for detecting an angular position (ω) of a rotating component by a sensor unit (10), comprising a sensor element (20) with a transmitting element that emits a sensor signal (22) and a receiving element that receives the sensor signal (22) with the rotating component connected and rotatable about an axis of rotation first reflection element (12), which reflects the sensor signal (22), and the receiving element receives the reflected sensor signal (22), the transit time of the sensor signal (22) being detected as a measurement signal (Y, 112) and the first reflection element (12) causes a measurement distance which is variable as a function of the rotation about the axis of rotation and which is run through by the sensor signal (22) and thus causes a periodic change in the measurement signal (Y, 112), characterized in that the rotating component comprises a total of n Reflection elements (12, 14, 16, 18, 26) which are rotatable and are each arranged fixedly rotated relative to one another are connected, each of which reflect the sensor signal (22) and the receiving element receives these respectively reflected sensor signals (22), the respective transit time of the sensor signal (22) being the first to assigned to the respective first to nth reflection element (12, 14, 16, 18, 26) nth measurement signal (Y i , 112, 114, 116, 118, 126) is detected and the n measurement signals (Y i , 112, 114, 116, 118, 126) are mutually displaced by the offset angle (α), the Number n ≥ 3 and an angular position (ω) of the rotary component depending on a measurement signal (Y i , 112, 114, 116, 118, 126) of one of the reflection elements i ∈ n (12, 14, 16, 18, 26), one Measurement signal (Y i-1 ) of the reflection element i-1 adjacent on the one hand and a measurement signal (Y i + 1 ) of the reflection element i + 1 adjacent on the other is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Reflektionselement (12, 14, 16, 18, 26) drehfest mit dem Drehbauteil verbunden oder einteilig mit dem Drehbauteil ausgeführt ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the respective reflection element (12, 14, 16, 18, 26) is non-rotatably connected to the rotating component or is made in one piece with the rotating component. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionselemente (12, 14, 16, 18, 26) um den Versatzwinkel (α) verdreht angeordnet sind.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the reflection elements (12, 14, 16, 18, 26) are arranged rotated by the offset angle (α). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (Yi) des i-ten Reflektionselements durch eine lineare Approximation (32) zwischen einem Schnittpunkt (40) des i-ten Messsignals (Yi) mit einem weiteren Messsignal und einem weiteren Schnittpunkt (40) des i-ten Messsignals (Yi) mit einem anderen weiteren Messsignal beschrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement signal (Yi) of the i-th reflection element by a linear approximation (32) between an intersection (40) of the i-th measurement signal (Yi) with a further measurement signal and a further intersection point (40) of the i-th measurement signal (Yi) is written with another further measurement signal. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Approximation (32) in einem das Maximum und Minimum des i-ten Messsignals (Yi) ausgrenzenden Messbereich (36) erfolgt.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the linear approximation (32) takes place in a measuring range (36) which delimits the maximum and minimum of the i-th measuring signal (Yi). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Approximation (32) in mehrere Winkelbereiche (30) mit einer jedem Winkelbereich (30) zugeordneten Geraden (34) aufgeteilt ist und die Anzahl der Winkelbereiche (30) über eine volle Periode des i-ten Messsignals (Yi) gleich 2 · n ist.Procedure according to Claim 4 or 5 , characterized in that the linear approximation (32) is divided into several angular ranges (30) with a straight line (34) assigned to each angular range (30) and the number of angular ranges (30) over a full period of the i-th measurement signal (Yi ) is 2 · n. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Zuordnungstabelle (48) feststellbar ist, in welchem Winkelbereich (30) das für die Ermittlung der Winkelposition (ω) über die lineare Approximation (32) anzuwendende Messsignal (Yi) liegt.Procedure according to Claim 6 , characterized in that an allocation table (48) can be used to determine the angular range (30) in which the measurement signal (Yi) to be used for determining the angular position (ω) via the linear approximation (32) lies. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem i-ten Messsignal (Yi) ein diesem nachfolgendes Messsignal i+1 (Yi+1) und ein diesem vorausgehendes Messsignal i-1 (Yi-1) erfasst wird und davon abhängig die Winkelposition (ω) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in addition to the i-th measurement signal (Yi), a measurement signal i + 1 (Y i + 1 ) following this and a measurement signal i-1 (Y i-1 ) preceding this is recorded and depending on this, the angular position (ω) is determined. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelposition (ω) abhängig von einer Differenz der Messsignale i+1 (Yi-+) und i-1 (Yi+1) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angular position (ω) is determined as a function of a difference between the measurement signals i + 1 (Y i- + ) and i-1 (Y i + 1 ). Sensoreinheit (10) zur Erfassung einer Winkelposition (ω) eines Drehbauteils, aufweisend ein Sensorelement (20) mit einem Sendeelement, welches ein Sensorsignal (22) aussendet und einem Empfangselement, welches das Sensorsignal (22) empfängt, ein mit dem Drehbauteil verbundenes und sich um eine Drehachse drehbares erstes Reflektionselement (12), welches das Sensorsignal (22) reflektiert, und das Empfangselement das reflektierte Sensorsignal (22) empfängt, wobei die Laufzeit des Sensorsignals (22) als Messsignal (Y, 112) erfasst wird und das erste Reflektionselement (12) einen abhängig von der Drehung um die Drehachse veränderlichen, von dem Sensorsignal (22) durchlaufenen Messabstand und damit eine periodische Änderung des Messsignals (Y, 112) bewirkt dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Winkelposition des Reflektionselements (12, 14, 16, 18, 26) durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche erfolgt.Sensor unit (10) for detecting an angular position (ω) of a rotating component, comprising a sensor element (20) with a transmitting element which emits a sensor signal (22) and a receiving element which receives the sensor signal (22), and which is connected to the rotating component first reflection element (12) rotatable about an axis of rotation, which reflects the sensor signal (22), and the receiving element receives the reflected sensor signal (22), the transit time of the sensor signal (22) being detected as a measurement signal (Y, 112) and the first reflection element (12) a measuring distance which is variable as a function of the rotation about the axis of rotation and which is run through by the sensor signal (22), and thus a periodic change in the measuring signal (Y, 112), characterized in that the detection of the angular position of the reflection element (12, 14, 16 , 18, 26) by a method according to one of the preceding claims.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023161154A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Autostore Technology AS A device and a method for determining rotational position of a rotating shaft

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018124232A1 (en) 2018-10-01 2020-04-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Sensor unit for detecting an angular position of a rotating component and coupling actuator with a sensor unit

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