DE102018211217A1

DE102018211217A1 - Geberradanordnung und Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung

Info

Publication number: DE102018211217A1
Application number: DE102018211217.7A
Authority: DE
Inventors: Eduard Rolew; Fabian Utermoehlen; Guy-Edward Michalski; Andre Yashan; Daniel Matthie; Thomas Preiss; Sven Neubauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Vorgestellt wird eine Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors, umfassend: ein Geberrad, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das Geberrad als ein um eine Achse drehbar angeordnetes Hohlrad ausgebildet ist und an einer umlaufenden Innenwandung des Hohlrades eine umlaufende erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen aufweist; eine zweite umlaufende Geberradspur, die an der Innenwandung angeordnet ist und die drehfest mit dem ersten Geberrad verbunden ist und die in der Richtung der Achse (13) axial zu der ersten Geberradspur (120a) verschoben ist und die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist, wobei die Zähne der zweiten Geberradspur einen asymmetrischen Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur aufweisen; einen ersten Sensor zum Abtasten des ersten Geberradspur, einen zweiten Sensor zum Abtasten der zweiten Geberradspur, , eine Steuerung, die mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor kommunikativ verbunden ist, wobei die Steuerung zu einem Ermitteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf einem binären Signal eingerichtet ist, wobei das binäre Signal aus einem ersten Signal des ersten Sensors und einem zweiten Signal des zweiten Sensors abgeleitet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geberradanordnung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine (Elektromotor) mittels einer asymmetrischen Winkelverdrehung von Zähnen zweier Geberradspuren.
Stand der Technik
Für die Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen (EVs) sind elektrische Maschinen (Elektromotoren) im Fokus der momentanen Entwicklung. Im Wesentlichen werden Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen für die Realisierung der Traktion in EVs verwendet. Beide Arten von Maschinen weisen einen ortsfesten Stator und einen sich drehenden Rotor auf. Der Stator trägt in der Regel drei zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei diese insbesondere um einen Winkel von 120° [Grad] / p versetzt sind und p eine Anzahl an Polpaaren der Maschine repräsentiert. Im Fall einer Asynchronmaschine (ASM) besteht der Rotor aus elektrisch leitfähigen Stäben, die an den Enden ringförmig kurzgeschlossen sind. Dreht sich nun ein Rotorfeld des Rotors, wird in diesen Stäben eine Spannung induziert, die einen Stromfluss hervorruft. Der Stromfluss baut wiederum ein Gegenmagnetfeld auf, sodass es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Da die induzierte Spannung Null wird, wenn das Rotorfeld und der Stator gleich schnell drehen, stellt sich immer eine Drehzahldifferenz ein, die als Schlupf bezeichnet wird und die sich direkt auf ein Drehmoment der Maschine auswirkt.
Bei der Synchronmaschine besteht der Rotor aus einem Läufer, der eine Erregerspule trägt. In der Erregerspule fließt ein Gleichstrom, welcher ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann auch ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM), die aufgrund einer leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad hat und demnach für Traktionsanwendungen geeigneter ist. Die Drehzahl des Rotors ist prinzipbedingt identisch zur Drehzahl des Erregerfeldes. Das Drehmoment hängt von einem Phasenversatz ab. Der Phasenversatz ist die Winkeldifferenz zwischen dem Statorfeld und dem Rotor.
Zur Ansteuerung einer Leistungselektronik und einer entsprechenden Bereitstellung der Statorspulensignale, muss im Fall der ASM die Drehzahl des Rotors und im Fall der PSM die Absolutwinkelposition des Rotors bekannt sein. In beiden Fällen ist unter anderem aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung des Rotors zu bestimmen.
Um diese Größen zu ermitteln, wird häufig ein Resolver verwendet. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehfest auf einer Welle der Maschine montiert ist. Zudem sind kreisringförmig umlaufend auf dem Stator eine Erregerspule sowie zwei Empfangsspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal im Bereich von einigen zehn kHz [Kilohertz] (Frequenz bevorzugt 10 - 80 kHz) beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem Wechselfeld. Absolutwinkelpositionsabhängig wird nun in der ersten Empfangsspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert, während in der zweiten Empfangsspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Dabei benötigt der Resolver relativ viel Bauraum, zieht eine komplexe Signalbereitstellung sowie -aufbereitung nach sich und muss mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden. Ferner ist im Falle eines Defekts ein Austausch nur mit erheblichem Aufwand möglich, da nahezu die komplette Maschine zerlegt werden muss. Neben elektromagnetischen Resolvern gibt es auch optische Resolver (z. B. gemäß DE 10 2013 203937 ), die neben hohen Kosten eine erhebliche Querempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung aufweisen und demzufolge nicht in jedem Umfeld einsetzbar sind.
Alternativ können induktive Absolutwinkelsensoren verwendet werden. Es sind im Wesentlichen zwei Sensorprinzipien bekannt: Ein erstes Sensorprinzip basiert auf dem Wirbelstromeffekt. Hierbei wird ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit Wechselspannung beaufschlagt werden und in dem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt zu einer Reduzierung von Spuleninduktivitäten und ermöglicht über eine Verschaltung in einem Schwingkreis basierend auf einer Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Nachteilig ist dabei eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber mechanischen Einbautoleranzen (vor allem Verkippung des Targets) sowie ein mögliches Locking der Frequenzen auf Störungen von außen (Injection Locking), da üblicherweise Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz [Megahertz] (bevorzugt 20 - 50 MHz) verwendet werden. Das andere Sensorprinzip basiert auf gekoppelten Spulen (z. B. gemäß EP 0 909 955 B1 ). Dieser Typ von Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer einzigen Erregerspule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches in mehrere Empfangsspulen koppelt und dort jeweils eine Spannung induziert. Für die Messung der Absolutwinkelposition wird ein drehbar gelagertes, leitfähiges Target benötigt, welches in Abhängigkeit seiner Winkelstellung (relativ zu den Spulen) eine induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfangsspulen beeinflusst. Nachteilig sind dabei ein Schaltungsaufwand zur Bereitstellung von Signalen sowie eine fehlende Echtzeitfähigkeit einer Signalverarbeitung. Speziell bei hohen Drehzahlen sind bekannte digitale Schnittstellen (z. B. SENT) zu langsam, um ausreichend oft eine Winkelinformation zu liefern.
Zur Drehzahl- und daraus abgeleiteten Absolutwinkelpositionsmessung in Verbrennungsmaschinen (VKM) sind Phasengeber und Drehzahlgeber bekannt (z. B. gemäß DE 4011503 A1 ). Hierbei kann es sich sensorseitig z. B. um Hallelemente handeln, die auf einem Backbias-Magnet angebracht sind. Dreht sich an den Hallelementen ein ferromagnetisches Zahnrad (Target) vorbei, führt dies zu einer Änderung der Hallspannung, da sich ein Magnetkreis verändert. Ein Hallsignal wird vorteilhaft durch eine Komparatorschaltung oder einen Schmitt-Trigger in ein digitales Signal überführt, welches echtzeitfähig z. B. die Zündung der VKM auslösen kann. Um mit derartigen Sensoren Absolutwinkelpositionen messen zu können, werden üblicherweise drei Sensoren eingesetzt, die um 120° elektrisch zueinander versetzt angeordnet sind. Dies erfordert neben hohen Sensorkosten eine aufwendige Montage, die aus Platzgründen nicht immer realisierbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Hier beschrieben werden eine Geberanordnung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors mit digitalen Ausgangssignalen. Dazu werden eine Geberradanordnung und ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Geberradanordnung und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der nachfolgenden Beschreibung ergänzt werden, ohne den Umfang der Offenbarung dabei zu verlassen.
Hier insbesondere beschrieben wird eine Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Die Geberradanordnung umfasst ein Geberrad, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Das Geberrad ist als ein um eine Achse drehbar angeordnetes Hohlrad ausgebildet. Die Geberadanordnung weist an einer umlaufenden Innenwandung des Hohlrades eine umlaufende erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen auf. Es handelt sich also um eine Innenverzahnung. Weiterhin umfasst die Geberradanordnung eine umlaufende zweite Geberradspur, die an der Innenwandung angeordnet ist und die drehfest mit dem ersten Geberrad verbunden ist, wobei die zweite Geberradspur in der Richtung der Achse axial zu der ersten Geberradspur verschoben ist und in der Umfangsrichtung der ersten Geberadspur gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist. Die Zähne der zweiten Geberradspur weisen einen asymmetrischen Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur auf.
Ferner umfasst die Geberradanordnung einen ersten Sensor, der zu einem Abtasten der ersten Geberradspur eingerichtet ist, wobei der erste Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Geberradanordnung einen zweiten Sensor, der zu einem Abtasten der zweiten Geberradspur eingerichtet ist, wobei der zweite Sensor eine Sensorfläche aufweist, die in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Zudem umfasst die Geberradanordnung eine Steuerung, die mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor kommunikativ verbunden ist. Dabei ist die Steuerung zu einem Ermitteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf einem binären Signal eingerichtet. Das binäre Signal ist dabei aus einem ersten Signal des ersten Sensors und einem zweiten Signal des zweiten Sensors abgeleitet.
Die Geberradanordnung ist insbesondere zum Ermitteln der Absolutwinkelposition und Drehrichtung eines Rotors einer elektrischen Maschine (Elektromotor) geeignet.
Die erste Geberradspur und die zweite Geberradspur drehen sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor. Der Durchmesser der ersten und der zweiten Geberradspur ist gleich groß ausgebildet kann beispielsweise im Bereich zwischen wenigen zehn Millimetern bis zu mehreren hundert Millimetern und besonders bevorzugt zwischen etwa 50 mm [Millimeter] bis 350 mm liegen. Die laterale Erstreckung der Geberradspuren in Richtung der Drehachse des Hohlrades kann bevorzugt zwischen etwa 5 mm bis 20 mm liegen und besonders bevorzugt 8 mm betragen.
Die Zähne der zweiten Geberradspur weisen im Gegensatz zu den regelmäßig angeordneten Zähnen der ersten Geberradspur jeweils einen asymmetrischen Winkelversatz V zu den Zähnen der ersten Geberradspur auf. Der Winkelversatz V eines jeden Zahns der zweiten Geberradspur zu dem jeweils entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur ist entweder positiv oder negativ. Zudem kann bevorzugt jeder Winkelversatz V betragsmäßig gleich sein. Ein Winkelversatz V zwischen den Zähnen der ersten Geberradspur und den entsprechenden Zähnen der zweiten Geberradspur kann betragsmäßig konstant sein und bevorzugt betragsmäßig zwischen 20% [Prozent] und 50% und besonders bevorzugt betragsmäßig 30% einer Länge L der Zähne betragen. Somit liegt jeder Zahn der zweiten Geberradspur entweder mit positivem Versatz vor dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur oder mit negativem Versatz nach dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur. Die Winkelversätze aller Zahnpaare der Zähne der ersten Geberradspur mit den entsprechenden Zähnen der zweiten Geberradspur ergeben eine Abfolge von Versätzen, mithin eine Kodierung. Die Zähne können hier sowohl Vorsprünge mit dazwischenliegenden Vertiefungen sein, aber auch sonstige Markierungen (Farben, Dotierungen (magnetisch, radioaktiv, ...), etc.), die eine Unterscheidung zwischen Zahn und Lücke ermöglichen. Die Geometrie kann auch als Lochblech realisiert sein, bei der ein Loch einer Lücke entspricht und das Material des Blechs dem Zahn entspricht. Neben der Gestaltung eines ferromagnetischen Geberrades kann auch beispielsweise ein alternierend magnetisiertes Geberrad verwandt werden. Prinzipiell kann die Anzahl n an Zähnen (und Lücken) maximiert werden, um eine hohe Winkelpositionsauflösung der Geberradanordnung zu gewährleisten. Bevorzugt kann die Anzahl an Zähnen n ≥ 8p betragen, wobei p die Anzahl an Polpaaren der elektrischen Maschine ist, um eine robuste und ausreichend genaue Kommutierung zu ermöglichen. Eine Länge L eines Zahns und eine Länge S einer Lücke sind dadurch nach unten begrenzt, dass der (magnetische) Kontrast (z. B. Hallspannungsdifferenz bei Hallsensoren) beim Passieren eines Zahnes bzw. einer Lücke ausreichend groß sein muss. Bevorzugt kann eine Länge S einer Lücke der ersten Geberradspur ungefähr 10% größer sein als die Länge L eines Zahnes und weiter bevorzugt zwischen ungefähr 2 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt 3,5 mm betragen. Die Höhe H eines Zahnes ist nach oben nicht begrenzt und muss nur ausreichend sein, damit ein Zahn von einer Lücke unterschieden werden kann.
Der erste Sensor und der zweite Sensor müssen die Zähne der ersten und zweiten Geberradspur von dazwischenliegenden Lücken unterscheiden können. Hierzu können insbesondere Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Beispielsweise können Riesenmagnetowiderstand-(Giant Magnetoresistance(GMR)-)Sensoren, Magnetische-Tunnelwiederstand-(Tunnel Magnetoresistance(TMR)-)Sensoren, oder induktive, passive Sensoren (Spule mit Permanentmagnet) oder dergleichen in Kombination mit magnetischen Zähnen verwendet werden. Das erste Signal des ersten Sensors und das zweite Signal des zweiten Sensors können bevorzugt mittels Analog-Digital-Wandlung in jeweils ein digitales Signal umgewandelt werden. Vorteilhaft können das erste Signal und das zweite Signal durch eine Komparatorschaltung oder einen Schmitt-Trigger in jeweils ein digitales Signal überführt werden. Die Umwandlung in ein digitales Signal kann im ersten und zweiten Sensor oder in der Steuerung erfolgen.
Die Steuerung ist mit den Sensoren kommunikativ verbunden und verarbeitet deren Signale, um daraus die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung zu ermitteln. Die Steuerung kann eine integrierte Schaltung sein. Eine integrierte Schaltung kann ein Mikrokontroller (µC) oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific-integrated ciruit, ASIC) oder ein anwendungsspezifisches Standardprodukt (application specific standard product, ASSP) oder eine im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung (field programmable gate array, FPGA) oder dergleichen sein. Eine integrierte Schaltung kann einen flüchtigen oder einen nicht-flüchtigen Speicher umfassen. Der flüchtige Speicher kann ein Speicher mit wahlfreiem/direktem Zugriff (Random Access Memory, RAM) sein. Der nicht-flüchtige Speicher kann ein Sekundärspeicher wie z. B. eine Festplatte, eine CD, eine DVD, eine Diskette oder ein Halbleiterspeicher (z. B. EPROM oder Flash-Speicher oder dergleichen) sein. Zudem kann die Steuerung in ein Steuergerät der elektrischen Maschine integriert sein.
Durch Messung des Winkelversatzes von jeweils zwei Zähnen, die sich auf zwei unterschiedlichen Geberradspuren der Geberradanordnung befinden, kann die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung des Rotors ermittelt werden. Der Winkelversatz zweier Zähne wird über eine relative Verdrehung der Geberradspuren realisiert und dient der Generierung eines binären Wertes (logische 0 oder logische 1). Mit Hilfe einer speziellen Kodierung, basierend auf dem asymmetrischen (wechselnden positiven und negativen) Winkelversatz, lassen sich über eine Mustererkennung die Drehrichtung sowie die Absolutwinkelposition ermitteln. Die entsprechende Geberradanordnung ist dabei so ausgestaltet, dass innerhalb einer ersten elektrischen Umdrehung erkannt werden kann, ob ein Drehmoment in eine falsche Drehrichtung abgegeben wird. Über die Kodierung einer Geberradstruktur mit nachgelagerter Signalauswertung der zwei Sensoren kann ebenfalls die Absolutwinkelposition erkannt werden. Dazu empfängt die Steuerung das erste Signal des ersten Sensors, der die Zähne der ersten Geberradspur erkennt, und das zweite Signal des zweiten Sensors, der die Zähne der zweiten Geberradspur erkennt.
Aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal wird das binäre Signal abgeleitet. Die Ableitung des binären Signals kann beispielsweise durch Differenzbildung aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal erfolgen, basierend auf dem jeweils positiven oder negativen Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den entsprechenden Zähnen der ersten Geberradspur. Das binäre Signal kann einer logischen 1 entsprechen, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur vor einem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur detektiert wird, und einer logischen 0 entsprechen, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur nach einem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur detektiert wird, oder umgekehrt. Das binäre Signal kann direkt von der Steuerung über eine Phasenmessung der beiden Signale der Sensoren abgeleitet werden. Daher ergibt sich für jedes Zahnpaar, bestehend aus einem Zahn der ersten Geberradspur und einem entsprechenden Zahn der zweiten Geberradespur, anhand ihres Winkelversatzes ein binärer Wert, der mittels der beiden Signale der Sensoren ermittelt wird. Somit ergibt sich nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal eine asymmetrische Folge, die die asymmetrische Kodierung widerspiegelt, die auf dem asymmetrischen Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur beruht. Um die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung eindeutig aus dem binären Signal erkennen zu können, kann eine spezielle Kodierung und somit eine spezielle Anordnung der Zähne der zweiten Geberradspur erfolgen. Es kann ein asymmetrischer Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur vorliegen, sodass eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn von einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn diskriminiert werden kann. Dazu kann sich eine binäre Folge des binären Signals, die sich bei einer Umdrehung ergibt, eindeutig der Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn zuordnen lassen. Dies ist bei folgender asymmetrischer Anordnung der einzelnen Winkelversätze V möglich:

a) Bei einer ungeraden Anzahl n an Zähnen ist jede Anordnung von Winkelversätzen V zulässig, die nicht zu Kodierungen mit ausschließlich identischen Ziffern führt (d.h. nicht ausschließlich positive oder negative Winkelversätze V). Beispielsweise ist 00000 oder 11111 nicht für eine fünfstellige Kodierung zulässig.
b) Bei einer geraden Anzahl n an Zähnen ist jede Anordnung von Winkelversätzen V zulässig, die nicht zu Kodierungen führt, die durch einen Bitshift (nach links oder rechts) in symmetrische Kodierungen überführt werden können. Beispielsweise kann die Kodierung 00001111 durch einen Bitshift um zwei Positionen nach rechts in 11000011 überführt werden, sodass eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn nicht von einer Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn unterscheidbar ist.

Bei dem Ermitteln der Absolutwinkelposition wird zunächst ein Startwinkel aus der ersten elektrischen Umdrehung mittels des asymmetrischen Winkelversatzes und der resultierenden Kodierung (Mustererkennung) ermittelt. Anschließend kann die aktuelle Absolutwinkelposition kontinuierlich durch Summation von Inkrementalwinkeln ermittelt werden, die aus dem binären Signal abgeleitet und zu dem Startwinkel bzw. der vorhergehenden Absolutwinkelposition addiert werden. Der kleinstmögliche Inkrementalwinkel, der mit der Geberradanordnung bestimmbar ist, richtet sich dabei nach der Anzahl n der Zähne auf den Geberradspuren (z. B. bei n = 8 ist der Inkrementalwinkel 45° (360° / 8)). Sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) annimmt, wird der Inkrementalwinkel aufaddiert und die aktuelle Absolutwinkelposition ausgegeben. Bei dem Ermitteln der Drehrichtung erfolgt während einer elektrischen Umdrehung, analog zum Ermitteln des Startwinkels, basierend auf der Kodierung durch den asymmetrischen Winkelversatz eine Analyse des binären Signals (Mustererkennung), woraus sich eindeutig die Drehrichtung ableiten lässt.
Da die verwendeten Sensoren digitale Inkrementalsignale liefern, sind hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten möglich. Weiterhin bedarf es keiner komplexen Signalbereitstellung und -nachbereitung. Darüber hinaus erlaubt das beschriebene Messprinzip höhere zulässige mechanische Toleranzen bei der Sensormontage, da es sich um ein sehr robustes Messverfahren handelt. Zudem ist ein einfacher Sensoraufbau möglich, bei dem die zwei Sensoren beispielsweise in einem Gehäuse platziert werden können. Besonders vorteilhaft kann mit der vorgestellten Lösung ein Taumeln oder ein radiales Lagerspiel eines Geberrades erkannt werden. Insbesondere sind vorteilhafte Ausführungsformen möglich, die nur ein Geberrad verwenden, was auch eine günstigere Einbausituation zur Folge hat. Dies führt zu einer Kostenreduktion bei der Montage und bei Reparaturen. Insbesondere ermöglicht die Geberradgeometrie eine integre Lagebestimmung gemäß A-SIL D (ISO 26262), da alle Fehler (z. B. fehlender Zahn) innerhalb einer Fehlerlatenzzeit erkannt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform sind die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zu einer Achse angeordnet sind, um welche das Geberrad drehbar gelagert ist.
Um eine möglichst gute Signalauswertung zu erzielen, kann der Normalenvektor der ersten Ebene senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne der ersten Gerberradspur orientiert sein, während der Normalenvektor der zweiten Ebene senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne der zweiten Geberradspur orientiert ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente. Dabei sind das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale aus Messsignalen der wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente des entsprechenden Sensors.
Ein Differenzsignal aus zwei Messsignalen von zwei entsprechenden Magnetfeldsensorelementen eines Sensors weist eine logische 1 auf, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet und eine logische 0, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, oder umgekehrt. Somit wird aus den analogen Messsignalen der einzelnen Magnetfeldsensorelemente direkt ein digitales Differenzsignal der einzelnen Sensoren an die Steuerung weitergegeben.
Durch die grenzwertbasierte Differenzsignalbildung liegt direkt ein digitales Signal ohne vorherige Analog-Digital-Wandlung vor. Zudem kann Signalrauschen aufwandsarm aus dem Signal, das an die Steuerung weitegeleitet wird, ferngehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Sensor zu einem Erzeugen von wenigstens zwei ersten Signalen und der zweite Sensor zu einem Erzeugen von jeweils wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet.
Von beiden Sensoren werden jeweils zwei Signale an die Steuerung weitergegeben. Es wird dabei von jedem Sensor die zugehörige Geberradspur an mindestens zwei Stellen abgetastet und die Zähne erkannt. Die mindestens zwei resultierenden Messsignale werden an die Steuerung weitergegeben und zuvor entweder im jeweiligen Sensor oder in der Steuerung von analog zu digital gewandelt. Besonders bevorzugt umfasst ein Sensor jeweils mindestens drei Magnetfeldsensorelemente aus deren Messsignalen mindestens zwei Differenzsignale, wie zuvor beschreiben, gebildet werden, wobei diese mindestens zwei Differenzsignale als die Signale des jeweiligen Sensors an die Steuerung weiter gegeben werden. Insbesondere liegt eine redundante Information der Sensoren vor, wenn wie bevorzugt mindestens drei Magnetfeldsensorelemente pro Sensor eingesetzt werden und mindestens zwei Differenzsignale aus den Messsignalen ermittelt werden. Dann ist eine zusätzliche Plausibilisierung durch eine Phasenmessung von jeweils entsprechend zusammengehörigen Differenzsignalen des ersten und des zweiten Sensors möglich.
Durch die Bereitstellung von wenigstens zwei Signalen pro Sensor wird eine Erhöhung der Robustheit erreicht, da somit redundante Informationen mit zusätzlicher Plausibilisierungsmöglichkeit vorhanden sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung zu einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet.
Eines der wenigstens zwei Signale eines Sensors eilt dem anderen Signal des Sensors nach. Dieses Nacheilen äußert sich in einer Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung lässt sich die Drehrichtung des Rotors mit nur einem der beiden Sensoren ermitteln. Das Signal eines Sensors, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Sensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter vorne liegt, eilt einem Signal des Sensors, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Sensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter hinten liegt, voraus. Somit kann aus der Phasenverschiebung zwischen den Signalen eines Sensors auf die Drehrichtung des Rotors geschlossen werden, ohne die Signale des anderen Sensors mit betrachten zu müssen.
Durch die wenigstens zwei Signale eines Sensors, liegen redundante Informationen bezüglich der Drehrichtung vor, sodass eine Plausibilisierung erfolgen kann, was die Robustheit erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Magnetfeldsensorelement des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors ein Hallsensorelement. Zudem sind entsprechend die Zähne der ersten Geberradspur und die Zähne der zweiten Geberradspur ferromagnetisch.
Zieht ein ferromagnetischer Zahn nahe an einem Magnetfeldsensorelement bzw. an dem Hallsensorelement vorbei, ergibt sich eine Induktionsspannung oder Hallspannung durch die Veränderung im magnetischen Fluss gegenüber den Lücken. Dies gilt auch, wenn die Lücken ebenfalls ferromagnetisch sind, aber weiter von dem Magnetfeldsensorelement entfernt vorbeiziehen als die Zähne (Höhenunterschied).
Magnetfeldsensorelemente und insbesondere Hallsensorelemente bieten in Kombination mit ferromagnetischen Zähnen eine besonders genaue sowie robuste und dennoch kostengünstige Möglichkeit, die Zähne eines Geberrads zu erkennen.
Insbesondere in Fahrzeugen kann mit der zuvor beschriebenen Geberradanordnung die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung eines Rotors einer Maschine wie einer elektrischen Maschine (Elektromotor) oder VKM ermittelt werden.
Das beschriebene Verfahren ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Das Verfahren umfasst die Schritte:

a) Empfangen eines ersten Signals von einem ersten Sensor, der ein Geberrad abtastet, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das Geberrad als ein um eine Achse drehbar angeordnetes Hohlrad ausgebildet ist und an einer umlaufenden Innenwandung des Hohlrades eine umlaufende erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen aufweist;
b) Empfangen eines zweiten Signals von einem zweiten Sensor, der eine zweite Geberradspur abtastet, die an der umlaufenden Innenwandung angeordnet ist, wobei die zweite Geberradspur in der Richtung der Achse axial zu ersten Geberradspur verschoben ist und in der Umfangsrichtung der ersten Geberadspur gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist,
- - wobei die Zähne der zweiten Geberradspur einen asymmetrischen Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur aufweisen; wobei der erste Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene angeordnet ist,
- - und der zweite Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, das einer zweiten Ebene angeordnet ist,
c) Ableiten eines binären Signals aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal;
d) Ermitteln der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal; und
e) Ermitteln der Drehrichtung basierend auf dem binären Signal.

Das Verfahren ist insbesondere zum Ermitteln der Absolutwinkelposition und Drehrichtung eines Rotors einer elektrischen Maschine (Elektromotor) geeignet.
Ferner ist das Verfahren insbesondere mit einer Geberradanordnung wie zuvor beschreiben anwendbar.
Das vorliegende Verfahren setzt im Wesentlichen die Funktionalität des bereits zuvor beschriebenen Reglers der Geberradanordnung um, so dass prinzipiell die gleichen technischen Mittel eingesetzt und die gleichen Vorteile erzielt werden können.
Das erste Signal gibt die zeitliche Abfolge der gleichmäßig in der ersten Geberradspur verteilten Zähne bei Rotation des Rotors an. Das zweite Signal gibt die zeitliche Abfolge der Zähne der zweiten Geberradspur mit asymmetrischem Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur an. Aus dem ersten und dem zweiten Signal wird das binäre Signal, bevorzugt durch Differenzbildung, abgeleitet, das eine logische 1 ausgibt, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur in Umfangsrichtung vor dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur angeordnet ist, also einen positiven Versatz aufweist, und eine logische 0, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur in Umfangsrichtung nach dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur angeordnet ist, also einen negativen Versatz aufweist, oder umgekehrt. Bei einer elektrischen Umdrehung wird eine asymmetrische Folge, die eine asymmetrische Kodierung wiederspiegelt, die dem asymmetrischen Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur entspricht, durch das binäre Signal angegeben. Die Kodierung ist dabei derart asymmetrisch, dass zu jedem Startwinkel eindeutig die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal durch eine Mustererkennung ermittelt werden kann. Für die momentane Absolutwinkelposition kann zu Beginn der Rotation ein Startwinkel nach der ersten elektrischen Umdrehung des Rotors aus der ersten asymmetrischen Folge, die das aus dem ersten Signal und aus dem zweiten Signal abgeleitete binäre Signal liefert, durch Mustererkennung ermittelt werden. Anschließend kann kontinuierlich ein Inkrementalwinkel zu dem Startwinkel bzw. der jeweils vorherigen Absolutwinkelposition addiert werden, um die aktuelle Absolutwinkelposition zu ermitteln. Der kleinstmögliche Inkrementalwinkel, der mit der mit dem Verfahren bestimmbar ist, richtet sich dabei nach der Anzahl n der Zähne der Geberradspuren (z. B. bei n = 8 ist der Inkrementalwinkel 45°). Sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) annimmt, wird der Inkrementalwinkel aufaddiert und die aktuelle Absolutwinkelposition ausgegeben. Die Drehrichtung ist direkt aus der asymmetrischen Folge nach einer elektrischen Umdrehung durch Mustererkennung ermittelbar.
Durch die Verarbeitung von Inkrementalsignalen, sind hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten möglich und dennoch bedarf es keiner komplexen Signalbereitstellung und -nachbereitung, sodass ein aufwandsarmes sowie kostengünstiges und dennoch robustes und präzises Verfahren bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale aus Messsignalen von wenigstens zwei Magnetfeldsensorelementen des entsprechenden Sensors.
Ein Differenzsignal aus zwei Messsignalen von zwei entsprechenden Magnetfeldsensorelementen eines Sensors weist eine logische 1 auf, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet und eine logische 0, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, oder umgekehrt. Somit wird aus den analogen Messsignalen der einzelnen Magnetfeldsensorelemente direkt ein digitales Differenzsignal der einzelnen Sensoren an die Steuerung weitergegeben.
Durch die grenzwertbasierte Differenzsignalbildung liegt direkt ein digitales Signal ohne vorherige Analog-Digital-Wandlung vor. Zudem kann Signalrauschen aufwandsarm aus dem Signal, das an die Steuerung weitergeleitet wird, ferngehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden in Schritt a) und Schritt b) entsprechend wenigstens zwei erste Signale und wenigstens zwei zweite Signale empfangen.
Es werden jeweils zwei Signale für jede der beiden Geberradspuren an die Steuerung weitergegeben. Es wird dabei von jedem Sensor die zugehörige Geberradspur an mindestens zwei Stellen abgetastet und die Zähne erkannt. Die mindestens zwei resultierenden Messsignale werden an die Steuerung weitergegeben und zuvor entweder im jeweiligen Sensor oder in der Steuerung von analog zu digital gewandelt. Besonders bevorzugt werden mindestens zwei Differenzsignale, wie zuvor beschreiben, pro Geberradspur an die Steuerung übertragen, wobei diese mindestens zwei Differenzsignale als die Signale des jeweiligen Sensors an die Steuerung weiter gegeben werden. Insbesondere liegt eine redundante Information über die Geberradspuren vor, wenn wie bevorzugt mindestens zwei Differenzsignale aus den Messsignalen ermittelt werden. Dann ist eine zusätzliche Plausibilisierung durch eine Phasenmessung von jeweils entsprechend zusammengehörigen Differenzsignalen zu der ersten und der zweiten Geberradspur möglich.
Durch die Bereitstellung von wenigstens zwei Signalen bzw. Differenzsignalen pro Geberradspur wird eine Erhöhung der Robustheit erreicht, da somit redundante Informationen mit zusätzlicher Plausibilisierungsmöglichkeit vorhanden sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Schritt e) die Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen ermittelt.
Eines der wenigstens zwei Signale eilt dem anderen Signal nach. Dieses Nacheilen äußert sich in einer Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung lässt sich die Drehrichtung des Rotors mit nur einer der beiden Geberradspuren ermitteln. Das Signal zu einer Geberradspur, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Magnetfelssensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter vorne liegt, eilt einem Signal zu der Geberradspur, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Magnetfeldsensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter hinten liegt, voraus. Somit kann aus der Phasenverschiebung zwischen den Signalen zu einer Geberradspur auf die Drehrichtung des Rotors geschlossen werden, ohne die Signale der anderen Geberradspur mit betrachten zu müssen.
Durch die wenigstens zwei Signale, liegen redundante Informationen bezüglich der Drehrichtung der ersten Geberradspur und der zweiten Geberradspur vor, sodass eine Plausibilisierung erfolgen kann, was die Robustheit erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt in Schritt d) ein Startwinkel basierend auf einem Testpulsverfahren oder einem Stromimpulsverfahren.
Sollte bereits zu Beginn der Drehung des Rotors eine initiale Absolutwinkelposition bekannt sein müssen, so kann auf das bekannte Testpulsverfahren oder Stromimpulsverfahren zurückgegriffen werden. Dabei werden Phasen einer elektrischen Maschine mit kleinen Testströmen beaufschlagt und Spulenimpedanzen gemessen. Aus diesen kann dann auf die Rotorlage (speziell bei PSM) geschlossen werden.
Figurenliste
Das Verfahren und die Geberradanordnung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der zeigen, das Verfahren und die Geberradanordnung jedoch nicht darauf beschränkt sind. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors;
2: eine Schnittebene durch 1, welche senkrecht zur Drehachse des Hohlrades verläuft;
3: eine schematische Darstellung einer Magnetfeldsensoranordnung und eines Geberrads;
4A und 4B: eine beispielhafte Darstellung von Signalverläufen bei entgegengesetzten Drehrichtungen;
5: eine schematische abgerollte Ansicht einer ersten Geberradspur und einer zweiten Geberradspur;
6: ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Geberradanordnung 10, die ein Geberrad 12 aufweist. Das Geberrad 12istdrehbar um eine Achse 13 gelagert, die auch als Drehachse bezeichnet wird. Die Achse 13 erstreckt sich in 1 in z-Richtung des dargestellten Koordinatensystems. Die x-Achse, y-Achse und z-Achse der Darstellung bilden ein rechtwinkliges Koordinatensystem. Die Zeichnungsebene in 1 ist die y-z-Ebene. Die Achse 13 durchstößt das Geberrad 12 bevorzugt in dessen Schwerpunkt und fällt vorteilhaft mit einer Drehachse einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt) zusammen. Das Geberrad 12 ist als Hohlrad 300 ausgebildet, das eine umlaufende Innenwandung 130 aufweist. An der umlaufenden Innenwandung ist eine umlaufende erste Geberradspur 120a und eine umlaufende zweite Geberradspur 120b angeordnet. Die zweite Geberradspur 120b ist in Richtung der Achse 13 axial zu der ersten Geberradspur 120a verschoben, weist aber den gleichen Innendurchmesser wie die erste Geberradspur auf. Die erste und zweite Geberradspur 120a, 120b weisen jeweils Zähne 14a bzw. Zähne 14b und Lücken 15a bzw. 15b auf. Die Zähne können aus einem ferromagnetischen Material gefertigt sein. Die Zähne 14a und Lücken 15a bilden die erste Geberradspur 120a. Die Zähne 14b und Lücken 15b bilden die zweite Geberradspur 120b. Bei dem Hohlrad 300 handelt es sich also um ein innenverzahntes Hohlrad. Die erste Geberradspur 120a und die zweite Geberradspur 120a können beispielsweise auch durch Fräsungen eingebracht werden. Die Erfassung der Zähne 14a, 14b und Lücken 15a, 15b der Geberradspuren 120a, 120b erfolgt beispielsweise mit jeweils einem als Hallsensor ausgebildeten ersten Sensor 16a für die erste Geberradspur 120a bzw. einem als Hallsensor ausgebildeten zweiten Sensor 16b die für die zweite Geberradspur 120b. Die Sensoren 16a und 16b können in das Hohlrad 200 eingreifen, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Sensoren 16a und 16b brauchen nicht im gleichen Gehäuse angeordnet zu sein und können in Bezug auf die Drehachse des Hohlrades radial versetzt sein, wobei beide Sensoren bevorzugt an sich gegenüberliegenden Stellen der Innenwandung des Hohlrades angeordnet sind. Die Sensoren 16a, 16b sind mit einer Steuerung 17 verbunden, die als integrierte Schaltung ausgeführt ist.
2 zeigt eine Schnittebene durch das Hohlrad 300 aus 1 in der x-y-Ebene, welche senkrecht zur Drehachse 13 verläuft. Die schematische Darstellung der 2 zeigt die Zähne 14a und Lücken 15a der ersten Geberradspur 120a in der x-y-Ebene. Die Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a sind entlang des Umfangs U der ersten Geberradspur 120a gleichmäßig beabstandet angeordnet. Der erste Sensor 16a ist in einem gewissen Abstand zu den Zähnen der ersten Geberradspur 120a angeordnet, sodass er die vorbeiziehenden Zähne 14a von den Lücken 15a unterscheiden kann. Der erste Sensor 16a, bzw. dessen Magnetfeldsenorelemente sind mit ihren Sensorflächen in einer Ebene angeordnet, deren Normalenvektor senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a orientiert ist, wenn diese Zähne der Sensorfläche gegenüberliegen. Die Sensorfläche eines als Hallsensors vorgesehenen Magnetfeldsensorelementes wird durch eine Fläche gebildet, die von den Magnetfeldlinien eines äußeren Magnetfeldes vorzugsweise senkrecht durchdrungen wird, um bei sonst gleichen Bedingungen eine maximale Spannung in dem Hallelement zu generieren.
Der zweite Sensor 16b (in 2 nicht dargestellt) ist in ähnlicher Weise in einem Abstand zu den Zähnen 14b der zweiten Geberradspur 130a angeordnet, sodass er die vorbeiziehenden Zähne 14b von den Lücken 15b unterscheiden kann. Der zweite Sensor 16b, bzw. dessen Magnetfeldsenorelemente sind mit ihren Sensorflächen in einer Ebene angeordnet, deren Normalenvektor vorzugsweise etwa senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b orientiert ist, wenn diese Zähne der Sensorfläche gegenüberliegen.
Der erste Sensor 16a liefert bei der Abtastung der ersten Geberradspur 120a ein erstes Signal an die Steuerung 17 und der zweite Sensor 16b liefert bei der Abtastung der zweiten Geberradspur 120b ein zweites Signal an die Steuerung 17.
2 stellt schematisch Zähne 14a und Lücken 15a der ersten Geberradspur 120a dar. Die Zähne 14a weisen alle eine gleiche Länge L und eine gleiche Höhe H auf. Da die Zähne 14a gleichmäßig beabstandet entlang des Außenumfangs des ersten Geberrads 12a angeordnet sind, besitzen die Lücken 15a alle eine gleiche Länge S. Die Länge S der Lücken 15a ist etwa 10% größer als die Länge L der Zähne 14a und kann beispielsweise 3,5 mm betragen. Die Höhe H der Zähne 14a kann mindestens 3,5 mm betragen, ist aber nach oben nicht begrenzt.
Die Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b sind entlang des Umfangweges U nicht gleichmäßig beabstandet. Daher können zwar die Zähne 14b die gleiche Länge L wie die Zähne 14a aufweisen, aber die Lücken S haben nicht eine gleiche Länge (nicht in 2 dargestellt). Durch eine gleichmäßige Geometrie der Zähne und einen ausreichenden Höhenunterschied zwischen den Zähnen und den Lücken wird sichergestellt, dass die als Hallsensoren ausgebildeten Sensoren 16a, 16b die Zähne sicher von den Lücken unterscheiden können und jeder Zahn ein genau definiertes Messsignal erzeugt.
3 zeigt schematisch einen Hallsensor 16, welcher beispielsweise dem ersten Sensor 16a, welcher der ersten Geberradspur 120a zugeordnet ist, entsprechen kann. Der Hallsensor 16 umfasst einen Permanentmagnet (Backbias-Magnet) 21 und drei als Hallsensorelemente ausgebildete Magnetfeldsensorelemente 22a-22c. Ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol des Magneten 21 verlaufen im Wesentlichen tangential entlang einer Ebene E1, deren Normalenvektor senkrecht zu der Achse 13 und der z-Achse orientiert ist. Die Magnetfeldsensorelemente 22a-22c sind beispielsweise zwischen dem Permanentmagneten 21 und der Innenwandung des Geberrades 12 sowie in einem gleichen Abstand hintereinander in einer zu der Innenwandung 130 des Geberrades 12 parallelen ersten Ebene E1 angeordnet. Ferner weisen die als Hallsensorelemente ausgebildeten Magnetfeldsensorelemente 22a-22c jeweils laterale Erstreckungen im Bereich weniger mm auf. Bevorzugt beträgt eine Breite zwischen einer vorderen Kante des Hallsensorelements 22a und einer hinteren Kante des Hallsensorelements 22c 1 mm bis 2 mm mehr als die Länge L eines Zahnes und besonders bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm.
Der Hallsensor 16 weist also wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c auf, die tangential zu der Umfangsrichtung u der ersten Geberradspur 120a hintereinander in einer ersten Ebene E1 angeordnet sind, wobei die Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c Sensorflächen aufweisen, deren Normalenvektor senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne 14 orientiert ist, wenn diese Zähne dem Sensor 16 gegenüberliegen.
Der zweite Sensor 16b kann baugleich zu dem ersten Sensor 16a aufgebaut sein. Der zweite Sensor 16b kann drei Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c aufweisen, die hintereinander in einer zweiten Ebene E2 angeordnet sind, deren Normalenvektor jeweils senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b orientiert ist, wenn diese Zähne dem Sensor 14b gegenüberliegen. Die erste Ebene E1 des ersten Sensors 16a und die zweite Ebene E2 des zweiten Sensors 16b verlaufen parallel zu der Drehachse 13 und können insbesondere auch zueinander parallel verlaufen, obwohl letzteres nicht notwendig ist.
Die 4A und 4B zeigen jeweils einen Signalverlauf eines Hallsensors 16 bei einem sich drehenden Geberrad 12. Es wird ein erstes Differenzsignal 23 von Hallspannungen der Magnetfeldsensorelemente 22a und 22b in einem ersten Kanal und ein zweites Differenzsignal 24 von Hallspannungen der Magnetfeldsensorelemente 22b und 22c in einem zweiten Kanal ausgegeben. Überschreitet jeweils die Differenz der Hallspannungen einen oberen Grenzwert, wird von einer nicht dargestellten in dem Hallsensor 16 integrierten Schaltung (z. B. ASIC) eine logische 0 ausgegeben. Unterschreitet die Differenz der Hallspannungen einen unteren Grenzwert, wechselt das entsprechende Differenzsignal 23, 24 auf eine logische 1. Aufgrund der Geometrie des Geberrades 12 und der Geberradspuren 120a, 120b, sind die Differenzsignale 23, 24 um 90° elektrisch phasenverschoben und erlauben eine Detektion der Drehrichtung. Es können auch andere Phasenverschiebungen auftreten. In 4A ist eine Drehrichtung 25a im Uhrzeigersinn dargestellt. Dabei passiert einer der Zähne 14 zunächst das vordere Magnetfeldsensorelement 22a. Als nächstes wird das mittlere Magnetfeldsensorelement 22b von dem Zahn 14 passiert. Sobald der Zahn 14 von den Magnetfeldsensorelementen 22a und 22b detektiert wird, gibt das erste Differenzsignal 23 eine logische 1 aus, da die Differenz der Hallspannung des vorderen Magnetfeldsensorelements 22a und des mittleren Magnetfeldsensorelements 22b den unteren Grenzwert unterschreitet. Das zweite Differenzsignal 24 gibt dabei weiterhin eine logische 0 aus, da die Differenz der Hallspannungen des mittleren Magnetfeldsensorelements 22b und des hinteren Magnetfeldsensorelements 22c den oberen Grenzwert überschreitet. Sobald der Zahn 14 auch das hintere Magnetfeldsensorelement 22c passiert, gibt das zweite Differenzsignal 24 eine logische 1 aus. Das erste Differenzsignal 23 eilt dem zweiten Differenzsignal 24 bei Drehung im Uhrzeigersinn voraus. In 4B ist eine Drehrichtung 25b gegen den Uhrzeigersinn dargestellt. Dabei wird zuerst das hintere Magnetfeldsensorelement 22c, gefolgt von dem mittleren Magnetfeldsensorelement 22b und schließlich das vordere Magnetfeldsensorelement 22a von einem der Zähne 14 passiert. Daher gibt zunächst das zweite Differenzsignal 24 eine logische 1 aus, und das erste Differenzsignal 23 folgt dem zweiten Differenzsignal 24 phasenverschoben nach.
Die Geberradanordnungen in 1 umfassen das Geberrad 12 in Kombination mit dem ersten Sensor 16a und dem zweiten Sensor 16b, um die Absolutwinkelposition nach einer elektrischen Umdrehung ermitteln zu können. Die erste Geberradspur 120a weist eine regelmäßige Anordnung der Zähne 14a aufweisen. D.h. die Länge L der Zähne 14a und die Länge der Lücken 15a sind für alle Zähne 14a und Lücken 15a identisch. Die zweite Geberradspur 120b kann die gleiche Anzahl n an Zähnen 14b wie die erste Geberradspur 120a aufweisen. Allerdings sind die Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b bezogen auf einen willkürlich gewählten Umlaufsinn in eine positive oder eine negative Richtung gegenüber den Zähnen 14a der ersten Geberradspur 120a versetzt angeordnet.
Eine entsprechende abgewickelte Draufsicht von Geberradspuren 120a und 120b zeigt 5. Ein Winkelversatz V zwischen zwei Zähnen 14a der ersten Geberradspur 120a und den Zähnen 14b der zweiten Geberradspur 120b kann beispielsweise konstant 35% der Länge L der Zähne 14a, 14b betragen. Allerdings unterscheidet sich der Winkelversatz V der Zähne 14a, 14b im Vorzeichen.
Aus jeweils dem ersten Differenzsignal 23 und jeweils dem zweiten Differenzsignal 24 des ersten Sensors 12a und des zweiten Sensors 12b werden entsprechend ein erstes und ein zweites binäres Signal generiert. Bei den binären Signalen entspricht eine logische 1 dem Moment, wenn einer der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b vor dem entsprechenden Zahn 14a der ersten Geberradspur 12a detektiert wird. Umgekehrt entspricht eine logische 0 der binären Signale dem Moment, wenn einer der Zähne 14b vor dem entsprechenden Zahn 14a detektiert wird. Die binären Signale werden direkt von der Steuerung 17 über eine Phasenmessung der beiden Differenzsignale 23, 24 ermittelt.

Es ergibt sich für jedes Zahnpaar, bestehend aus einem der Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a und dem entsprechenden Zahn 14b der zweiten Geberradspur 120b, anhand ihres Winkelversatzes V ein binärer Wert, der anhand der beiden Differenzsignale 23 bzw. 24 der Sensoren 16a, 16b als binäres Signal ermittelt wird. Um die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung aus einem oder beiden binären Signalen ermitteln zu können, liegt eine spezielle Anordnung (Kodierung) der Zähne 14a, 14b zueinander vor. Diese Anordnung ist ein asymmetrischer Winkelversatz in dem Sinne, dass eine Drehrichtung 25a im Uhrzeigersinn von einer Rückwärtsdrehung 25b gegen den Uhrzeigersinn diskriminiert werden kann. Bei beispielsweise acht Zähnen pro elektrische Umdrehung liegt der in 5 dargestellte asymmetrische Versatz der Zähne 14b zu den Zähnen 14a vor. Bei einer Drehrichtung 25b gegen den Uhrzeigersinn ergibt sich als binäres Signal nach einer elektrischen Umdrehung beispielsweise die (8bit-)Folge 0 0 0 10 1 1 1. Liegt eine Drehrichtung 25a mit dem Uhrzeigersinn vor, so lautet die (8bit-) Folge nach einer elektrischen Umdrehung 1110 1 0 0 0. Es können also eindeutig die Drehrichtung sowie die Absolutwinkelposition ermittelt werden. Ist eine initiale Position der ersten Geberradspur 120a und der damit drehfest verbundenen zweiten Geberradspur 120b eine andere, ändert sich die (8bit-)Folge, jedoch können die (8bit-) Folgen bei einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn 25a immer eindeutig von den (8bit-) Folgen einer Drehrichtung 25b gegen den Uhrzeigersinn unterschieden werden. Mit dem asymmetrischen Versatz der Zähne 14a, 14b zueinander wie in 5 dargestellt ergeben sich folgende (8bit-) Folgen:

Initiale Position	Drehrichtung 25b (gegen den Uhrzeigersinn)	Drehrichtung 25a (im Uhrzeigersinn)
0°	00010111	11101000
45°	00101110	11010001
90°	01011100	10100011
135°	10111000	01000111
180°	01110001	10001110
225°	11100010	00011101
270°	11000101	00111010
315°	10001011	00111010

Mit n = 8 Zähnen pro Geberradspur 120a, 120b lässt sich die Absolutwinkelposition des Rotors auf 45° genau ermitteln. Dazu wird aus der ersten (8bit-) Folge, die die asymmetrische Kodierung bzw. den asymmetrischen Winkelversatz der Zähne 14b zu den entsprechenden Zähnen 14a wiederspiegelt, ein Startwinkel bestimmt. zu diesem Startwinkel wird kontinuierlich ein Inkrementalwinkel von 45° addiert, sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) angibt.
Damit bereits zu Beginn einer Drehung des Rotors eine initiale Absolutwinkelposition ermittelt werden kann, wird auf das bekannte Testpulsverfahren oder das Stromimpulsverfahren zurückgegriffen. Dabei werden Phasen der elektrischen Maschine mit kleinen Testströmen beaufschlagt und Spulenimpedanzen gemessen. Aus diesen kann dann auf die initiale Absolutwinkelposition (speziell bei PSM) geschlossen werden.
Durch die beiden Differenzsignale 23, 24 liegen redundante Informationen vor. Daher ist eine zusätzliche Plausibilisierung der ermittelten Absolutwinkelposition durch eine Phasenmessung von jeweils zusammengehörigen ersten Differenzsignalen 23 und zweiten Differenzsignalen 24 möglich.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Nach einer optionalen Initialisierung 1 wird bei einem ersten Empfangen 2 kontinuierlich ein erstes Signal von dem ersten Sensor 16a und bei einem zweiten Empfangen 3 ein zweites Signal von dem zweiten Sensor 16b empfangen. Aus dem ersten und zweiten Signal, die jeweils ein oder mehrere Differenzsignale 23, 24 sein können, wird bei einem Ableiten 4 kontinuierlich das binäre Signal abgeleitet. Anschließend wird bei einem Ermitteln 5 der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal kontinuierlich die aktuelle Absolutwinkelposition ermittelt. Dabei wird bei einem Ermitteln 6 der Startwinkel nach der ersten elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal durch Mustererkennung ermittelt und anschließend kontinuierlich bei einem Addieren 7 der Inkrementalwinkel kontinuierlich für jeden neuen Wert des binären Signals zu dem Startwinkel bzw. der vorhergehenden Absolutwinkelposition addiert. Der Startwinkel kann bei dem Ermitteln 6 alternativ auch durch ein Testpulsverfahren oder ein Stromimpulsverfahren ermittelt werden. Zudem wird bei einem Ermitteln 8 die Drehrichtung nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal oder alternativ aus den zwei Differenzsignalen 23, 24 des ersten Sensors 12a oder des zweiten Sensors 12b ermittelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203937 [0005]
EP 0909955 B1 [0006]
DE 4011503 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0019]

Claims

Geberradanordnung (10) zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors, umfassend: - ein Geberrad (12), das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das Geberrad (12) als ein um eine Achse (13) drehbar angeordnetes Hohlrad (300) ausgebildet ist und an einer umlaufenden Innenwandung (130) des Hohlrades eine umlaufende erste Geberradspur (120a) aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen (14a) aufweist; - eine zweite Geberradspur (120b), die an der Innenwandung (300) angeordnet ist und die drehfest mit dem Geberrad (12) verbunden ist, wobei die zweite Geberradspur (120b) in der Richtung der Achse (13) axial zu der ersten Geberradspur (120a) verschoben ist und in der Umfangsrichtung (u) der ersten Geberadspur (120a) gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen (14b) wie die erste Geberradspur (120a) aufweist, - wobei die Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) einen asymmetrischen Winkelversatz (v) zu den Zähnen (14a) der ersten Geberradspur (120a) aufweisen; - einen ersten Sensor (16a), der zu einem Abtasten der ersten Geberradspur (120a) eingerichtet ist, wobei der erste Sensor (16a) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene (E1) angeordnet ist, - einen zweiten Sensor (16b), der zu einem Abtasten der zweiten Geberradspur (120b) eingerichtet ist, wobei der zweite Sensor (16b) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, - eine Steuerung (17), die mit dem ersten Sensor (12a) und dem zweiten Sensor (12b) kommunikativ verbunden ist, wobei die Steuerung zu einem Ermitteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf einem binären Signal eingerichtet ist, wobei das binäre Signal aus einem ersten Signal des ersten Sensors (16a) und einem zweiten Signal des zweiten Sensors (16b) abgeleitet ist.
Geberadabordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Ebene (E1) und die zweite Ebene (E2) parallel zu einer Achse (13) angeordnet sind, um welche das Geberrad (12) drehbar gelagert ist.
Geberradanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Normalenvektor der ersten Ebene (E1) senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne (14a) der ersten Gerberradspur (120a) orientiert ist und der Normalenvektor der zweiten Ebene (E2) senkrecht zu den Stirnwänden der Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) orientiert ist.
Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (16a) und der zweite Sensor (16b) jeweils wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente (22a, 22b, 22c) umfassen und wobei das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale (23, 24) aus Messsignalen der wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente (22a, 22b, 22c) des entsprechenden Sensors (16a, 16b) sind.
Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (16a) zum Erzeugen von wenigstens zwei ersten Signalen und der zweite Sensor (16b) zu einem Erzeugen von zwei zweiten Signalen eingerichtet ist.
Geberradanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (17) zu einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet ist.
Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) des ersten Sensors (16a) und/oder des zweiten Sensors (16b) ein Hallsensorelement ist und wobei die Zähne (14a) des Geberrads (12) ferromagnetisch sind.
Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors, umfassend die Schritte: a) Empfangen (2) eines ersten Signals von einem ersten Sensor (16a), der ein Geberrad (12) abtastet, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das Geberrad (12) als ein um eine Achse (13) drehbar angeordnetes Hohlrad (300) ausgebildet ist und an einer umlaufenden Innenwandung (13) des Hohlrades eine umlaufende erste Geberradspur (120a) aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen (14a) aufweist; b) Empfangen (3) eines zweiten Signals von einem zweiten Sensor (16b), der eine zweite Geberradspur (120b) abtastet, die an der Innenwandung (300) angeordnet ist und die drehfest mit dem Geberrad (12) verbunden ist, wobei die zweite Geberradspur (120b) in der Richtung der Achse (13) axial zu der ersten Geberradspur (120a) verschoben ist und in der Umfangsrichtung (u) der ersten Geberadspur (120a) gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen (14b) wie die erste Geberradspur (120a) aufweist, - wobei die Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) einen asymmetrischen Winkelversatz (v) zu den Zähnen (14a) der ersten Geberradspur (120a) aufweisen; wobei der erste Sensor (16a) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer Ebene (E1) angeordnet ist, - und der zweite Sensor (16b) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, c) Ableiten (4) eines binären Signals aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal; d) Ermitteln (5) der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal; und e) Ermitteln (8) der Drehrichtung basierend auf dem binären Signal.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale (23, 24) aus Messsignalen von wenigstens zwei Magnetfeldsensorelementen (22a, 22b, 22c) des entsprechenden Sensors (16a, 16b) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei in Schritt a) und Schritt b) entsprechend wenigstens zwei erste Signale und wenigstens zwei zweite Signale empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in Schritt e) die Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei in Schritt d) ein Ermitteln (6) eines Startwinkels basierend auf einem Testpulsverfahren oder einem Stromimpulsverfahren erfolgt.