DE102018213405A1 - Sensor system for determining a temperature and at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) umfasst mindestens einen Temperatursensor (128), welcher eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements (114) zu erfassen, wobei der Temperatursensor (128) eine Abfrageeinheit (138), eine Antenne (140) und ein Sensorelement (142) aufweist, wobei die Abfrageeinheit (138) eingerichtet ist zum Senden eines elektrischen Sendesignals an die Antenne (140) und zum Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Antenne (140), wobei die Antenne (140) zum Erzeugen einer Oberflächenwelle in dem Sensorelement (142) basierend auf dem Sendesignal und zum Erzeugen des Empfangssignals basierend auf einer in dem Sensorelement (142) reflektierten Oberflächenwelle eingerichtet ist, wobei das Empfangssignal proportional zur Temperatur des rotierenden Elements (114) ist. Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor (124), welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114). Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit (130), welche eingerichtet ist, mindestens ein erstes Signal (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen.A sensor system (110) for determining a temperature and at least one rotational property of an element (114) rotating about at least one rotational axis (112) is proposed. The sensor system (110) comprises at least one temperature sensor (128), which is set up to record at least one temperature of the rotating element (114), the temperature sensor (128) comprising an interrogation unit (138), an antenna (140) and a sensor element ( 142), wherein the interrogation unit (138) is set up to transmit an electrical transmission signal to the antenna (140) and to receive an electrical reception signal from the antenna (140), the antenna (140) for generating a surface wave in the sensor element ( 142) based on the transmission signal and for generating the reception signal based on a surface wave reflected in the sensor element (142), the reception signal being proportional to the temperature of the rotating element (114). The sensor system (110) further comprises at least one inductive position sensor (124), which is set up to record at least one piece of information about the rotational property of the rotating element (114). The sensor system (110) further comprises at least one evaluation unit (130), which is set up, at least one first signal (134), which has at least one item of information about the detected temperature, and at least one second signal (136), which has at least one item of information about which has the rotational property.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben. Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden.Numerous sensors are known from the prior art which detect at least one rotational property of rotating elements. Examples of such sensors are described in Konrad Reif (ed.): Sensors in a motor vehicle, 2nd edition, 2012, pages 63-74 and 120-129. For example, a position of a camshaft of an internal combustion engine relative to a crankshaft with a so-called phase generator can be determined by means of a Hall sensor.
Beispielsweise für eine Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen werden häufig entweder Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet, welche jeweils aus einem ortsfesten Stator und einem sich drehenden Rotor bestehen. Der Stator trägt in der Regel drei, beispielsweise um 120°/p zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei p eine Anzahl von Polpaaren repräsentiert. Bei Asynchronmaschinen besteht der Rotor üblicherweise aus an Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben. Bei einer Drehung eines Rotorfeldes kann so in den Stäben eine Spannung induziert werden, welche einen Stromfluss hervorruft, welcher wiederum ein Gegenmagnetfeld aufbaut und es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Die induzierte Spannung ist Null, wenn sich Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen. Es stellt sich eine Drehzahldifferenz ein, welche als Schlupf bezeichnet wird und welche das Moment des Motors definiert. Bei Synchronmaschinen umfasst der Rotor einen Läufer, welcher eine Erregerspule trägt, in welchem ein Gleichstrom fließt und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine, welche aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und so für Traktionsanwendungen geeigneter sein kann. Eine Drehzahl des Rotors kann prinzipbedingt identisch zur Drehzahl eines Erregerfelds sein. Das Drehmoment kann von einem Phasenversatz, also einer Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotor, abhängen. Zur Regelung des Moments, Ansteuerung eines Inverters und entsprechender Bereitstellung von Statorspulensignalen muss für Asynchronmaschinen die Drehzahl des Rotors und für Synchronmaschinen eine Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein. In beiden Fällen, Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen, ist insbesondere aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung zu bestimmen. Die maximale Leistung der Maschine kann zudem durch eine Stator- und Rotortemperatur begrenzt sein.For example, to implement traction in electric vehicles, either asynchronous machines or synchronous machines are often used, each of which consists of a stationary stator and a rotating rotor. The stator generally carries three winding strands, for example offset by 120 ° / p to one another, where p represents a number of pole pairs. In asynchronous machines, the rotor usually consists of electrically conductive rods which are short-circuited at the ends. When a rotor field rotates, a voltage can be induced in the rods, which causes a current to flow, which in turn builds up a counter-magnetic field and a rotational movement occurs. The induced voltage is zero if the rotor field and stator rotate at the same speed. There is a speed difference, which is called slip and which defines the torque of the motor. In synchronous machines, the rotor comprises a rotor which carries an excitation coil in which a direct current flows and generates a static magnetic field. Alternatively, a permanent magnet can be used as the rotor. It is then a permanently excited synchronous machine, which has a higher efficiency due to the powerless excitation and can therefore be more suitable for traction applications. In principle, a speed of the rotor can be identical to the speed of an excitation field. The torque can depend on a phase offset, that is to say an angular difference between the stator field and the rotor. In order to regulate the torque, control an inverter and provide stator coil signals accordingly, the speed of the rotor must be known for asynchronous machines and an absolute angular position of the rotor for synchronous machines. In both cases, synchronous machines and asynchronous machines, the direction of rotation must also be determined, in particular for reasons of functional safety. The maximum power of the machine can also be limited by a stator and rotor temperature.
Um die Rotorlage zu ermitteln, ist es bekannt, so genannte Resolver zu verwenden. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehzahlfest auf der Welle des Motors montiert ist. Kreisringförmig umlaufend sind auf einem Stator eine Erregerspule sowie mehrere Empfängerspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld. Drehwinkelabhängig kann in einer ersten Empfängerspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert werden, während in einer zweiten Empfängerspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Die Bereitstellung des Erregersignals sowie das Auslesen der Signale kann innerhalb der Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden. Resolver benötigen jedoch relativ viel Bauraum, erfordern eine komplexe Signalbereitstellung und -aufbereitung und müssen mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Aus diesen genannten Gründen können Systemkosten entsprechend hoch sein. Weiterhin kann es aus Platzgründen nicht möglich sein, auf den Stator des Resolvers ein redundantes Empfangsspulensystem zu montieren, um eine Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen. So kann ein Ausfall des Sensors zum „Liegenbleiben“ des Fahrzeugs führen.To determine the rotor position, it is known to use so-called resolvers. This is an electromagnetic transmitter in which a rotor package is mounted on the shaft of the motor so that it does not rotate. An excitation coil and several receiver coils are mounted on a stator all the way round in a ring. An AC voltage signal is applied to the excitation coil and passes through the entire arrangement with an alternating electromagnetic field. Depending on the angle of rotation, a sinusoidal amplitude-modulated voltage can be induced in a first receiver coil, while a cosine-shaped amplitude-modulated voltage is induced in a second receiver coil. The provision of the excitation signal and the reading of the signals can be implemented within the power electronics or dedicated modules within a control unit for motor control. However, resolvers require a relatively large amount of installation space, require complex signal preparation and processing, and must be assembled with very low mechanical tolerances in order to achieve a sufficiently high level of accuracy. For these reasons, system costs can be correspondingly high. Furthermore, for reasons of space, it may not be possible to mount a redundant receiving coil system on the stator of the resolver in order to increase the availability of the sensor. A failure of the sensor can lead to the vehicle "stopping".
Die Statortemperatur kann aufgrund der begrenzten Temperaturfestigkeit des Isolationslackes der Statorwicklungen bestimmend für die maximale Stromstärke in den Statorspulen, und damit für das abgegebene Drehmoment, sein. Es ist bekannt, zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor zu verwenden, welcher in die Statorspulen gewickelt wird. Mittels Modellen kann auf eine Temperaturverteilung geschlossen werden. Die Rotortemperatur, welche vor allem bei Asynchronmaschinen kritisch sein kann, da im Käfigläufer permanent hohe Ströme fließen, wird bisher nicht ermittelt und lediglich über Modelle berechnet. Vor allem die fehlende Messinformation über die Rotortemperatur begrenzt die Performance der elektrischen Maschine und macht eine Modellierung mit entsprechendem Aufwand und Ungenauigkeiten unabdingbar, siehe
Weiter bekannt sind außerdem Temperatursensoren basierend auf Oberflächenwellen (SAW = Surface Acoustic Waves). Diese werden überwiegend zur Temperaturüberwachung von Hochspannungs-Freileitungen verwendet, da sie drahtlos ausgelesen werden können und hohe Temperaturauflösungen/ -genauigkeiten möglich sind. Das zugrunde liegende Messprinzip basiert auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit.Temperature sensors based on surface waves (SAW = surface acoustic waves) are also known. These are mainly used for temperature monitoring by High-voltage overhead lines are used because they can be read wirelessly and high temperature resolutions / accuracies are possible. The underlying measurement principle is based on the temperature dependence of the speed of sound.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einem „Sensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem „System“ kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Komponenten aufweist. Unter einem Sensorsystem zur Bestimmung der Temperatur und der Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensorsystem verstanden, welches eingerichtet ist, um die mindestens eine Temperatur und mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen, beispielsweise zu messen, und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Signal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Rotationseigenschaft“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder eines Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden.In the context of the present invention, therefore, a sensor system for determining a temperature and at least one rotational property of an element rotating about at least one axis of rotation is proposed. In the context of the present invention, a “sensor” is basically understood to mean any device which is suitable for detecting at least one measurement variable. A “system” can be understood to mean any device that has at least two components. A sensor system for determining the temperature and the rotation property is accordingly understood to mean a sensor system which is set up to detect, for example measure, the at least one temperature and at least one rotation property and which, for example, can generate at least one electrical signal in accordance with the detected property, such as a voltage or a current. Combinations of properties can also be recorded. In the context of the present invention, a “rotation property” will basically be understood to mean a property that at least partially describes the rotation of the rotating element. This can be, for example, an angular velocity, a rotational speed, an angular acceleration, an angular position or another property which can at least partially characterize a continuous or discontinuous, uniform or non-uniform rotation or rotation of the rotating element. For example, the rotational property can be a position, in particular an angular position, a rotational speed, an angular acceleration or a combination of at least two of these quantities. Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable. In the context of the present invention, an “angular position” is basically understood to mean an angle of rotation of a device capable of rotation, for example of the rotating element or of a sensor wheel, with respect to an axis perpendicular to the axis of rotation.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem „rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.The sensor system can in particular be set up for use in a motor vehicle, in particular for traction applications for electrical machines. In the context of the present invention, a “rotating element” is basically understood to mean any element which rotates about at least one axis. For example, the rotating element can be a shaft, for example a shaft in a drive machine, for example a camshaft or a crankshaft. For example, an angular position of a camshaft or a rotational speed of a camshaft or an angular acceleration of a camshaft or a combination of at least two of these variables can be determined. Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
Das Sensorsystem umfasst mindestens einen Temperatursensor, welcher eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements zu erfassen. Dabei weist der Temperatursensor eine Abfrageeinheit, eine Antenne und ein Sensorelement auf. Die Abfrageeinheit ist eingerichtet zum Senden eines elektrischen Sendesignals an die Antenne und zum Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Antenne. Die Antenne ist zum Erzeugen einer Oberflächenwelle in dem Sensorelement basierend auf dem Sendesignal und zum Erzeugen des Empfangssignals basierend auf einer in dem Sensorelement reflektierten Oberflächenwelle eingerichtet. Das Empfangssignal ist proportional zur Temperatur des rotierenden Elements.The sensor system comprises at least one temperature sensor, which is set up to record at least one temperature of the rotating element. The temperature sensor has an interrogation unit, an antenna and a sensor element. The interrogation unit is set up to send an electrical transmission signal to the antenna and to receive an electrical reception signal from the antenna. The antenna is designed to generate a surface wave in the sensor element based on the transmission signal and to generate the reception signal based on a surface wave reflected in the sensor element. The received signal is proportional to the temperature of the rotating element.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor, welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements. Unter einem „induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der eine Information, insbesondere ein Signal, entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Magnetsensor handeln. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder Rotorpositionssensor sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.The sensor system further comprises at least one inductive position sensor, which is set up to record at least one item of information about the rotational property of the rotating element. An “inductive position sensor” can in principle be understood in the context of the present invention to be any sensor that can generate information, in particular a signal, according to a detected property, in particular a measurement signal, in particular an electrical measurement signal, for example a voltage or a current, wherein the generation of the measurement signal is based on a change in a magnetic flux. In particular, the detected property can include a position, for example an angular position. In particular, the inductive position sensor can be an inductive magnetic sensor. In particular, the inductive position sensor can be an inductive rotor position sensor or rotor position sensor. However, other configurations are also possible in principle.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet, ist mindestens ein erstes Signal, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle von dem Temperatursensor und dem induktiven Positionssensor empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale, also das erste und das zweite Signal, wandelt. Das erste Signal kann die die Temperatur repräsentieren während das zweite Signal die Rotationseigenschaft, beispielsweise die Drehrate, darstellt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.The sensor system further comprises at least one evaluation unit, which is set up to generate at least one first signal, which has at least one item of information about the detected temperature, and at least one second signal, which has at least one item of information about the rotation property. An “evaluation unit” can generally be understood to mean an electronic device which is set up to detach from the inductive Evaluate position sensor and / or signals generated by the temperature sensor. For example, one or more electronic connections between the inductive position sensor and / or the temperature sensor and the evaluation unit can be provided for this purpose. The evaluation unit can comprise, for example, at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The data processing device can have one or more volatile and / or non-volatile data memories, it being possible for the data processing device to be set up, for example, in terms of programming, in order to control the inductive position sensor. The evaluation unit can, for example, be constructed centrally or decentrally. Other configurations are also conceivable. The signal evaluation in the evaluation unit can take place in such a way that the evaluation unit evaluates all signals received by the temperature sensor and the inductive position sensor and converts them into two output signals, ie the first and the second signal. The first signal can represent the temperature, while the second signal represents the rotation property, for example the rotation rate. The first and the second signal can both be analog, both digital or one analog and one digital.
Die Abfrageeinheit kann dem rotierenden Element zugewandt sein. Dadurch wird ein Aussenden und Erfassen der elektrischen Signale von und zur Antenne nicht behindert.The interrogation unit can face the rotating element. This does not hinder the transmission and detection of the electrical signals to and from the antenna.
Die Abfrageeinheit und/oder die Antenne und/oder das Sensorelement können auf oder innerhalb des induktiven Positionssensors angeordnet sein. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Temperatursensors und des induktiven Positionssensors angegeben.The interrogation unit and / or the antenna and / or the sensor element can be arranged on or within the inductive position sensor. This specifies a compact arrangement of the temperature sensor and the inductive position sensor.
Das Sensorelement kann ein Erzeugungselement zum Erzeugen der Oberflächenwelle und mindestens einen Reflektor aufweisen, wobei das Erzeugungselement aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist. Bevorzugt wird hier Lithiumniobat oder Lithiumtantalat eingesetzt, da diese Materialien einen hohen Temperaturkoeffizienten aufweisen und demnach die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle maximal temperaturabhängig ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Erzeugungselement kann dabei die Oberflächenwelle erzeugt werden.The sensor element can have a generating element for generating the surface wave and at least one reflector, the generating element being produced from a piezoelectric material. Lithium niobate or lithium tantalate is preferably used here, since these materials have a high temperature coefficient and therefore the speed of the surface wave is maximally temperature-dependent. The surface wave can be generated by applying an electrical voltage to the generating element.
Das Erzeugungselement kann als Interdigitalstruktur ausgebildet sein. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird das Erzeugungselement temporär partiell verspannt (piezoelektrischer Effekt). Bevorzugt ist die Interdigitalstruktur aus Aluminium hergestellt, da dieses Material eine geringe Dämpfung aufweist. Alternativ sind alle anderen elektrisch leitfähigen Materialen möglich.The generating element can be designed as an interdigital structure. By applying an electrical voltage, the generating element is temporarily partially braced (piezoelectric effect). The interdigital structure is preferably made of aluminum, since this material has low damping. Alternatively, all other electrically conductive materials are possible.
Das Sensorelement kann mehrere Reflektoren aufweisen. Bevorzugt werden die mehreren Reflektoren voneinander beabstandet angeordnet. Dadurch sind Aussagen über eine Temperaturverteilung realisierbar.The sensor element can have several reflectors. The plurality of reflectors are preferably arranged at a distance from one another. This makes it possible to make statements about a temperature distribution.
Die Antenne kann mit dem Sensorelement elektrisch kontaktiert sein. Dies erleichtert die Signalübertragung. Die Kontaktierung kann dabei direkt oder indirekt mittels weiterer Elemente realisiert sein.The antenna can be electrically contacted with the sensor element. This facilitates signal transmission. The contacting can be realized directly or indirectly by means of further elements.
Die Antenne kann als Lambda-Halbe-Dipolantenne ausgebildet sein. Dabei kann die Antenne aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Elementen bestehen. Diese müssen an die Frequenz des Systems angepasst sein, um eine optimale Übertragung zu gewährleisten. Alternativ kann die Antenne als spiralförmige Kreisspule ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Antenne in Form einer planaren, im Wesentlichen spiralförmigen Kreisspule wie beispielsweise bei RFID Tags realisiert, die auf einer Leiterplatte realisiert ist.The antenna can be designed as a half-wave dipole antenna. The antenna can consist of one or more electrically conductive elements. These have to be adapted to the frequency of the system in order to ensure optimal transmission. Alternatively, the antenna can be designed as a spiral circular coil. For example, the antenna is implemented in the form of a planar, essentially spiral circular coil, such as, for example, in the case of RFID tags, which is implemented on a printed circuit board.
Der induktive Positionssensor kann mindestens einen Schaltungsträger aufweisen. Unter einem „Schaltungsträger“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB).The inductive position sensor can have at least one circuit carrier. A “circuit carrier” can be understood to mean a device on which at least one electrical component can be arranged. The circuit carrier can be designed flexibly. In particular, the circuit carrier can comprise a flexible material. The circuit carrier can in particular be selected from the group consisting of: a printed circuit board, in particular a rigid-flex printed circuit board, for example a bent rigid-flex printed circuit board; a rigid circuit board, in particular a rigid circuit board with notches; a circuit board; a circuit board and a printed circuit, in particular a “printed circuit board” (PCB).
Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads eines weiter unten beschriebenen Sensorsystems im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.The circuit carrier can be arranged essentially coaxially to the axis of rotation. The circuit carrier can, for example, surround a sensor wheel or a circle segment of the sensor wheel of a sensor system described below in a substantially circular or circle segment shape. In the context of the present invention, the term “essentially circular” is basically understood to mean that the component described has a radius of curvature. The radius of curvature can vary within the component by a value from 0% to 80%, preferably from 0% to 50%, more preferably from 0% to 20% and particularly preferably from 0% to 5%. In particular, the radius of curvature can also be constant. Alternatively or additionally, the circuit carrier can also be composed of two or more segments which, for example, can each be flat or curved and which can be connected to one another, for example. The In total, segments can also be arranged coaxially to the axis of rotation, even if the individual segments are then arranged, for example, tangentially. Furthermore, the circuit carrier can be arranged in a housing, in particular in an injection molded housing.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine Spulenanordnung aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Spulenanordnung kann mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfassen. Unter einer „Spulenanordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer „Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem „Empfängerspulensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Empfängerspulen umfasst.The inductive position sensor can have at least one coil arrangement which is arranged on the circuit carrier. The coil arrangement can comprise at least one excitation coil and at least two receiver coils. In the context of the present invention, a “coil arrangement” can basically be understood to mean any device which comprises at least one coil. In the context of the present invention, a “coil” is basically understood to mean any component which has an inductance and is suitable for generating a magnetic field when current flows and / or vice versa. For example, a coil can comprise at least one completely or partially closed conductor loop or turn. In the context of the present invention, an “excitation coil” can in principle be understood as a coil that generates a magnetic flux when an electrical voltage and / or an electrical current is applied. The excitation coil can have at least one excitation turn. In the context of the present invention, a “receiver coil” is basically understood to be a coil which is set up to generate a signal based on an inductive coupling between the excitation coil and the receiver coil, which signal is dependent on the inductive coupling. For example, the coil arrangement can have a receiver coil system. In the context of the present invention, a “receiver coil system” can in principle be understood to mean any device which comprises at least two, preferably at least three, receiver coils.
Die Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Hinsichtlich des Begriffs „im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verwiesen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können wie in
Der induktive Positionssensor kann eine Anzahl von n Empfängerspulen umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Die generierten sinusförmigen Signale der n Empfängerspulen können gegeneinander phasenversetzt sein. Beispielsweise können benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(2n) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(n) und/oder 360°/(n) für n≥3 aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau zwei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau drei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 120° aufweisen.The inductive position sensor can comprise a number of n receiver coils, where n is a positive integer. The generated sinusoidal signals of the n receiver coils can be out of phase with one another. For example, adjacent sinusoidal signals can have a phase separation of 2π / (2n) and / or 360 ° / (2n) for n = 2. Furthermore, for example, adjacent sinusoidal signals can have a phase separation of 2π / (n) and / or 360 ° / (n) for n≥3. In particular, adjacent sinusoidal signals from exactly two receiver coils can have a phase separation of 90 °. In particular, adjacent sinusoidal signals from exactly three receiver coils can have a phase spacing of 120 °.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Unter einer „anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.The inductive position sensor can have at least one application-specific integrated circuit (ASIC) which is arranged on the circuit carrier. An “application-specific integrated circuit” (ASIC) can be understood to mean any electronic circuit that is implemented as an integrated circuit.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Unter ein „Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen. Unter einem „Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter „sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter „im Wesentlichen sinusförmig“ können Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer „vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Oszillatorschaltung aufweisen. Die Oszillatorschaltung kann beispielsweise einen LC Oszillator treiben, bei welchem die Erregerspule und ein Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Durch die Beaufschlagung der Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse drehwinkelabhängige Signale generieren.The application-specific integrated circuit can be set up to provide an excitation signal for the excitation coil. The application-specific integrated circuit can be arranged on the circuit carrier and connected to exactly one excitation coil and at least two receiver coils. “Providing an excitation signal” can be understood to mean that the application-specific integrated circuit is set up to generate the excitation signal and / or that the application-specific integrated circuit is set up to apply the excitation signal to the excitation coil. In the context of the present invention, an “excitation signal” can be understood to mean an electrical signal, in particular at least one alternating voltage and / or at least one alternating current. The excitation signal can be a substantially sinusoidal excitation signal. In the context of the present invention, “sinusoidal” is understood in principle to mean any shape which has a course of a sine curve. For example, a course of a complete sine curve can be included or only part of a sine curve. “Essentially sinusoidal” can be understood to mean embodiments with a completely sinusoidal course, deviations being conceivable which are not more than 20%, in particular not more than 10% or even not more than 5%, of the absolute value of the sinusoidal shape. A “complete sinus curve” can in particular be understood to mean a course of a sinus curve which comprises at least one period. The sine curve can start at the zero point or any other point on the sine curve. The sinusoidal shape can also be composed, for example, in sections from other functions, so that an approximate sinusoidal shape results overall. The excitation signal can have an amplitude in the range from 0.1 V to 10 V, preferably from 5 V. The excitation signal can have a frequency in the range from 1 MHz to 10 MHz, preferably 3.5 MHz. The application-specific integrated circuit can have at least one oscillator circuit. The oscillator circuit can drive an LC oscillator, for example, in which the excitation coil and a capacitor act as frequency-determining elements. By applying the excitation signal to the excitation coil, an alternating electromagnetic field can arise which couples into the receiver coils and induces, for example, corresponding alternating voltages and / or alternating currents. The inductive position sensor can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil. The excitation coil can be configured to generate an alternating electromagnetic field in response to the application of the excitation signal. The excitation coil and the receiver coils can be coupled such that the alternating electromagnetic field induces an alternating voltage in the receiver coils. The receiver coils can be arranged in such a way that the receiver coils generate rotation angle-dependent signals when the rotating element rotates at a constant angular velocity about the axis of rotation.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als mindestens ein erstes Ausgangssignal an mindestens einem ersten Ausgang und mindestens ein zweites Ausgangssignal an mindestens einem zweiten Ausgang bereitzustellen. Die Bezeichnung als „erstes“ und „zweites“ Ausgangssignal sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob weitere Ausgangssignale vorhanden sind. Unter „Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Bevorzugt kann die Signalverarbeitung rein analog erfolgen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos-System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der Arkustangens-Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Die untere Grenzfrequenz kann deutlich geringer ausfallen, da lediglich Offsets kompensiert werden sollen, so dass beispielsweise 0,1 Hz ausreichend wäre. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann eingerichtet sein, um die Signale der Empfängerspulen, insbesondere die gefilterten Signale, zu verstärken. Unter „Verstärken“ kann eine Erhöhung einer Amplitude eines Signals verstanden werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter eingerichtet sein, die Signale der Empfängerspulen mit einem DC(Gleichstrom)-Offset zu beaufschlagen. Das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal können von dem ersten und zweiten Ausgang beispielsweise über mindestens eine elektrische Signalleitung, insbesondere ein Kabel, an eine zweite Auswerteeinheit, insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Auswerteeinheit, übertragen werden.The application-specific integrated circuit can be set up to process signals generated by the receiver coils and to provide them as at least one first output signal at at least one first output and at least one second output signal at at least one second output. The designation as "first" and "second" output signal are to be understood as pure designations and in particular do not provide any information about a sequence or whether there are further output signals. “Processing” can basically be understood to mean any operation of signal processing in order to generate an output signal, for example evaluation, filtering, demodulation. The signal processing can be digital and / or analog. The signal processing can preferably be pure done analogously. The application-specific integrated circuit can, in particular, be set up to infer an amount and a phase of the coupling by demodulating a signal induced in the receiver coils with a carrier signal, that is to say a signal from the excitation coil. The amount can in particular vary continuously with the angle of rotation. A phase position can be 0 ° or 180 °, for example. The application-specific integrated circuit can have at least one demodulation device which is set up to demodulate the signals of the receiver coils, in particular synchronously. The demodulation can include multiplying by the excitation signal. For example, multiplying the amount by a cosine function can result in a preferably offset-free Sin / Cos system, in particular when using two receiver coils with a 90 ° phase offset in relation to the measuring range. When using three receiver coils with a typically 120 ° phase offset in relation to the measuring range, a three-phase sine signal can arise in particular, which can be converted into a Sin / Cos system, for example, by using the Clarke transformation. With the help of the arctangent function, the angle of rotation can then be deduced. The application-specific integrated circuit can have at least one low-pass filter. The low-pass filter can have a cut-off frequency in the range from 50 kHz to 500 kHz, preferably 100 kHz. The lower limit frequency can be significantly lower, since only offsets are to be compensated, so that, for example, 0.1 Hz would be sufficient. For example, the application-specific integrated circuit can first demodulate the signals of the receiver coils and then filter using the low-pass filter. The application-specific integrated circuit can have at least one amplifier. The amplifier can be set up to amplify the signals of the receiver coils, in particular the filtered signals. “Amplification” can be understood to mean an increase in the amplitude of a signal. The application-specific integrated circuit can also be set up to apply a DC (direct current) offset to the signals of the receiver coils. The first output signal and the second output signal can be transmitted from the first and second outputs, for example via at least one electrical signal line, in particular a cable, to a second evaluation unit, in particular an evaluation unit designed separately from the circuit carrier.
Das Sensorsystem kann mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad aufweisen. Unter einem „Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Das Geberrad kann beispielsweise permanent oder reversibel mit dem rotierenden Element verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einstückig mit dem rotierenden Element ausgebildet oder in das rotierende Element integriert sein. Das Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen. Unter einem „Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden werden, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.The sensor system can have at least one sensor wheel that can be connected to the rotating element. In the context of the present invention, a “transmitter wheel” can basically be understood to mean any component that can be connected to the rotating element and that is set up to cause at least one measurable signal, in particular a magnetic field change, per revolution of the rotating element when connected to the rotating element. The sensor wheel can, for example, be permanently or reversibly connected or connectable to the rotating element or can also be formed in one piece with the rotating element or integrated into the rotating element. The sensor wheel can have a sensor wheel profile. In the context of the present invention, a “transmitter wheel profile” can in principle be understood to mean an entirety of profile elements and of spaces that are arranged between the profile elements. In the context of the present invention, a “profile element” of the sensor wheel can basically be understood to mean any shape of the contour of the sensor wheel, in particular a bulge, for example a pin-shaped, a tooth-shaped or a tooth-shaped bulge, or an indentation or a recess, for example a hole.
Das Geberrad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um je nach seiner Stellung Bereiche einer Empfängerspulenstruktur „abzuschatten“. Dadurch kann eine Kopplung zwischen einer Sendespulenstruktur und den Empfängerspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden. Ein typischer Wertebereich eines Kopplungsfaktors kann beispielsweise -0,3 bis +0,3 betragen. Unter einem Koppelfaktor kann dabei insbesondere ein Amplitudenverhältnis zwischen einem Empfangssignal und einem Sende- oder Erregersignal verstanden werden. Der Koppelfaktor kann insbesondere sinusförmig mit dem Drehwinkel verlaufen.The sensor wheel can, for example, be designed to “shade” areas of a receiver coil structure depending on its position. As a result, a coupling between a transmitter coil structure and the receiver coils can be influenced as a function of the angle of rotation. A typical range of values for a coupling factor can be, for example, -0.3 to +0.3. A coupling factor can in particular be understood to mean an amplitude ratio between a received signal and a transmitted or excitation signal. The coupling factor can in particular run sinusoidally with the angle of rotation.
Die Spulenanordnung kann das Geberrad oder mindestens ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreissegmentförmig oder kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken.The coil arrangement can surround the sensor wheel or at least one circle segment of the sensor wheel essentially in the form of a segment of a circle or in a circle. In particular, the coil arrangement, in particular the coil arrangement arranged on the circuit carrier, can cover at least one profile element and at least one intermediate space between two profile elements of the sensor wheel in at least one angular position of the sensor wheel.
Das Geberrad kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Flügel können einen ersten Öffnungswinkel α und die elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügel und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel β aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven Positionssensors entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden sein. Das Geberrad kann an dem rotierenden Element mittels einer Schraub- und/oder Klebeverbindung befestigt sein.The encoder wheel can be designed to be rotationally symmetrical. The sensor wheel can have an identical number of electrically conductive blades and electrically non-conductive or less conductive blades and / or recesses. The electrically conductive wings can have a first opening angle α and the electrically non-conductive or less conductive wings and / or the cutouts can have a second opening angle β. A sum of the first and the second opening angle can correspond to a full angle measuring range of the inductive position sensor. The first and the second opening angle can be identical or different. The The encoder wheel can be attached to the rotating element by means of a screw and / or adhesive connection.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus Signalen der Empfängerspulen auf eine Winkelposition Φ des Geberrads zu schließen. Das Sensorsystem, insbesondere der induktive Positionssensor, kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen zu erfassen. Das Sensorsystem kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Geberrads bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen eine absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer „relativen Winkelposition“ kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden. Insbesondere kann die zweite Auswerteeinheit derart eingerichtet sein, um mindestens ein Quotientensignal mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tanΦ = sinΦ / cosCD verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke-Transformation verwendet werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung eingerichtet sein, die Signale des Positionssensors auszuwerten. Bei der Auswerteschaltung kann es sich beispielsweise um einen Prozessor handeln. Die Auswerteeinheit kann insbesondere getrennt von dem Schaltungsträger ausgestaltet sein und kann mit dem Schaltungsträger über mindestens eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, verbindbar sein. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, das erste und das zweite Ausgangssignal an die Auswerteeinheit zu übermitteln.The evaluation unit can be set up to infer an angular position Φ of the sensor wheel from signals from the receiver coils. The sensor system, in particular the inductive position sensor, can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil. In particular, the sensor system can be set up to detect the inductive coupling caused by a movement and / or a position of the transmitter wheel and / or the change in the inductive coupling caused by a movement and / or a position of the transmitter wheel between the excitation coil and the receiver coils. The sensor system can in particular be set up to determine an absolute or relative angular position of the rotating element from the change in the inductive coupling caused by the movement and / or by a position of the sensor wheel between the excitation coil and the receiver coils. A “relative angular position” can basically be understood to mean a position with respect to a period defined by the receiver coils. In particular, the second evaluation unit can be set up to generate at least one quotient signal of at least two signals from at least two receiver coils. For example, the law tanΦ = sinΦ / cosCD can be used to calculate the angular position Φ from two signals generated by two receiver coils. For example, the Clarke transformation can be used to calculate the angular position Φ from three signals generated by three receiver coils. In particular, the evaluation unit can have at least one evaluation circuit. In particular, the evaluation circuit can be set up to evaluate the signals of the position sensor. The evaluation circuit can be, for example, a processor. The evaluation unit can in particular be configured separately from the circuit carrier and can be connectable to the circuit carrier via at least one connection, for example a cable. The inductive position sensor can be set up to transmit the first and the second output signal to the evaluation unit.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines Sensorsystems. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:
- Erfassen mindestens einer Temperatur des rotierenden Elements mit dem mindestens einen Temperatursensor,
- Aussenden eines elektrischen Sendesignals an die Antenne,
- Erzeugen einer Oberflächenwelle in dem Sensorelement mittels der Antenne,
- Erzeugen des Empfangssignals basierend auf einer in dem Sensorelement reflektierten Oberflächenwelle mittels der Antenne,
- Empfangen eines elektrischen Empfangssignals von der Antenne mittels der Abfrageeinheit, wobei das Empfangssignal proportional zur Temperatur des rotierenden Elements ist,
- Erfassen mindestens einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mit dem mindestens einen induktiven Positionssensor;
- Erzeugen mindestens eines ersten Signals, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens eines zweiten Signals,
- welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements aufweist, mit mindestens einer Auswerteeinheit.
- Detecting at least one temperature of the rotating element with the at least one temperature sensor,
- Sending an electrical transmission signal to the antenna,
- Generating a surface wave in the sensor element by means of the antenna,
- Generating the received signal based on a surface wave reflected in the sensor element by means of the antenna,
- Receiving an electrical reception signal from the antenna by means of the interrogation unit, the reception signal being proportional to the temperature of the rotating element,
- Detecting at least one piece of information about a rotational property of the rotating element with the at least one inductive position sensor;
- Generating at least one first signal, which has at least information about the detected temperature, and at least one second signal,
- which has at least one piece of information about the rotational property of the rotating element, with at least one evaluation unit.
Das Verfahren erfolgt unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorsystems verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.The method is carried out using a sensor system according to the present invention, that is to say according to one of the above-mentioned embodiments or according to one of the embodiments described in more detail below. Accordingly, reference can largely be made to the description of the sensor system for definitions and optional configurations. However, other configurations are also possible in principle.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden. Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.Furthermore, a computer program is proposed within the scope of the present invention, which executes the method according to the invention in one of its configurations when it runs on a computer or computer network. Furthermore, in the context of the present invention, a computer program with program code means is proposed in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network. In particular, the program code means can be stored on a computer-readable data carrier. In addition, in the context of the present invention, a data carrier is proposed on which a data structure is stored, which after loading into a working and / or main memory of a computer or computer network, the inventive method in can perform one of its configurations. In the context of the present invention, a computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is also proposed in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network. A computer program product is understood to mean the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or a computer-readable data carrier, and can in particular be distributed over a data transmission network. Finally, within the scope of the present invention, a modulated data signal is proposed, which contains instructions that can be executed by a computer system or computer network for executing a method according to one of the described embodiments.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere ist es möglich, ein günstiges Sensorkonzept für Temperaturmessung bis zu hohen Temperaturen von mehr als 400°C und Ermittlung weiterer mechanischer Größen bereitzustellen. So ist beispielsweise eine ortsaufgelöste Temperaturmessung möglich. Es werden keine aktiven Bauelemente auf einem heißen Rotor benötigt, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems erhöht wird. Es wird keine Energiequelle für den Temperatursensor benötigt, da dieser rein passiv arbeitet. Eine direkt gemessene Rotordrehzahl kann zur Plausibilisierung von zeitlich aufeinander folgenden Rotorpositionsmessungen verwendet werden und so eine funktionale Sicherheit erhöhen. Eine Zustandsüberwachung des Rotors bzw. der Lagerung, Vibration, Unwucht kann möglich sein. Die hohe Grenzfrequenz von Fotodioden erlaubt eine schnelle Messung und Erfassung dynamischer Änderungen. Das erfindungsgemäße Messprinzip zur Drehwinkelerfassung zweigt weiter keinen Einfluss von Fremdmagnetfeldern, beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, die in Sensornähe angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Messprinzip zur Drehwinkelerfassung ist aufgrund einer hohen Trägerfrequenz praktisch nicht drehzahlbegrenzt.The proposed device and the proposed method have numerous advantages over known devices and methods. In particular, it is possible to provide an inexpensive sensor concept for temperature measurement up to high temperatures of more than 400 ° C. and determination of further mechanical variables. For example, a spatially resolved temperature measurement is possible. No active components are required on a hot rotor, which increases the reliability of the system. No energy source is required for the temperature sensor, since it works purely passively. A directly measured rotor speed can be used to check the plausibility of successive rotor position measurements and thus increase functional safety. Condition monitoring of the rotor or the bearing, vibration, unbalance may be possible. The high cut-off frequency of photodiodes enables rapid measurement and detection of dynamic changes. The measuring principle according to the invention for detecting the angle of rotation further branches no influence of external magnetic fields, for example as a result of high currents within cables which are arranged near the sensor. The measuring principle according to the invention for detecting the angle of rotation is practically not speed-limited due to a high carrier frequency.
Figurenlistelist of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform; -
2 schematische Darstellung eines Temperatursensors; -
3 eine schematische Darstellung einer Antenne und eines Sensorelements des Temperatursensors; -
4 ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads; -
5 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASICs und Weiterverarbeitung der Signale des induktiven Positionssensors und -
6 Signalformen des erfindungsgemäßen Sensorsystems.
-
1 a schematic representation of a sensor system according to the invention according to one embodiment; -
2 schematic representation of a temperature sensor; -
3 a schematic representation of an antenna and a sensor element of the temperature sensor; -
4 an embodiment of a sensor wheel; -
5 an inventive structure of an ASIC and further processing of the signals of the inductive position sensor and -
6 Signal forms of the sensor system according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Sensorsystem
Das Sensorsystem
Die Auswerteeinheit
Sowohl das Einspeisen einer Spannung zum Erzeugen der Oberflächenwelle als auch das Rücklesen der elektrischen Signale, d.h. der Empfangssignale, in Folge der reflektierten Welle zur Temperaturberechnung erfolgt über die Antenne
Die Abfrageeinheit
Die Signale der Abfrageeinheit138 werden entweder direkt durch separate Leitungen im Kabel
Der induktive Positionssensor
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung
Beispielhafte Signalverläufe als Funktion des Drehwinkels für eine kontinuierliche Drehbewegung sind in
Obwohl die Elemente des induktiven Positionssensors 124separat zu der Abfrageeinheit
Alternativ oder zusätzlich zu einer Signalverarbeitung des ersten Signals
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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