DE102018220363A1 - Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator - Google Patents

Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator Download PDF

Info

Publication number
DE102018220363A1
DE102018220363A1 DE102018220363.6A DE102018220363A DE102018220363A1 DE 102018220363 A1 DE102018220363 A1 DE 102018220363A1 DE 102018220363 A DE102018220363 A DE 102018220363A DE 102018220363 A1 DE102018220363 A1 DE 102018220363A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
angle
rotor
stator
encoder
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018220363.6A
Other languages
English (en)
Inventor
Tobias Becker
Marco Wolf
Shahrokh Sanati
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TE Connectivity Germany GmbH
Original Assignee
TE Connectivity Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TE Connectivity Germany GmbH filed Critical TE Connectivity Germany GmbH
Priority to DE102018220363.6A priority Critical patent/DE102018220363A1/de
Publication of DE102018220363A1 publication Critical patent/DE102018220363A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders
    • G01D5/2452—Incremental encoders incorporating two or more tracks having an (n, n+1, ...) relationship
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Winkelmesssystem (1000) zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse (140) zum Stator angeordnet ist. Das Winkelmesssystem umfasst eine erste Winkelmesseinrichtung (1100) mit einem ersten Kodierer (2100), der am Rotor ausgebildet ist, und einer Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2), die am Stator ausgebildet ist, wobei der erste Kodierer (2100) und die Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugen, und ein erster Sensor, der mit der Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2), verbunden ist und das erste Signal misst. Ferner umfasst das Winkelmesssystem eine zweite Winkelmesseinrichtung (1200) mit einem zweiten Kodierer (2200), der am Rotor ausgebildet ist und ein Muster trägt, wobei das Muster vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, und einem zweiten Sensor (3100), der basierend auf einer Messung des Musters ein zweites Signal erzeugt. Ferner umfasst das Winkelmesssystem eine Auswerteeinheit (1300), die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator.
  • Generell wird bei einer Winkelmesseinrichtung eine bestimmte Anzahl an Impulsen pro Umdrehung ermittelt. Diese Impulse werden durch einen Drehsensor, auch als Encoder bezeichnet, am anderen Ende einer Sensorleitung in einem Auswertegerät decodiert. Wie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 102 16 376 A1 bekannt, kann die physikalische Technologie der Winkelmesseinrichtung optisch, magnetisch, induktiv oder potentiometrisch ausgestaltet sein.
  • Generell kann die Winkelmessung relativ oder absolut erfolgen. Eine relative Winkelmessung bedeutet, dass ein Nullimpuls pro Umdrehung erzeugt wird und basierend auf dem winkelabhängigen gemessenen Impuls der relative Winkel ermittelt wird. Weiterhin bedeutet eine absolute Winkelmessung, dass der winkelabhängige Impuls einem absoluten Winkel zugeordnet wird.
  • Häufig werden die Impulse durch regelmäßige Muster auf Scheiben oder Maßstäben, die in dieser Anmeldung auch als Winkelgeber bezeichnet werden, erzeugt. Insbesondere werden optische oder magnetische Muster mit Hilfe eines Winkelsensors, auch als Drehsensor oder Encoder bezeichnet, in elektrische Impulse umgewandelt.
  • Zur optischen Winkelmessung sind diverse Einrichtungen und Verfahren bekannt, z. B. Laser-Systeme, Theodolithen, Nivellierinstrumente, Stereo-Kamerasysteme. Optische Winkelmesseinrichtungen zeichnen sich durch eine hohe Auflösung aus. Allerdings stellen optische System zumeist hohe Anforderungen an die Toleranzen bei der Montage und sind anfällig gegen Verschmutzung.
  • Alternativ können magnetische Winkelmesseinrichtungen verwendet werden. Diese haben gegenüber optischen Sensoren den Vorteil, dass sie gegen Verschmutzung resistenter sind. Allerdings sind die magnetischen Strukturgrößen der Muster zumeist gröber als die Strukturgrößen vergleichbarer optischer Sensoren. Somit ist die Auflösung der magnetischen Sensoren im Vergleich zu optischen Sensoren geringer.
  • Alternativ können auch potentiometrische Winkelmesseinrichtungen verwendet werden. Diese haben aber, wie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2010 021 367 A1 diskutiert, insbesondere den Nachteil, dass keine berührungslose Winkelmessung möglich ist.
  • Alternativ können auch induktive Winkelmesseinrichtungen verwendet werden. Ein induktiver Winkelsensor besteht dabei dem Prinzip nach aus einer wechselstrombeaufschlagten Erregerspule, deren magnetisches Feld in einer oder mehreren Empfangsspulen Spannungen induziert, deren Amplitude oder Phasenlage von der Position eines relativ zu den Spulen beweglichen induktiven Koppelelementes abhängt.
  • Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen in Kraftfahrzeugen werden aus Sicherheitsgründen redundant messende Sensoren vorgesehen. Wie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 197 38 841 A1 bekannt, ist ein redundant aufgebauter induktiver Winkelsensor problematisch, da es beim ortsnahen Aufbau zweier induktiver Sensorsysteme, und zwar insbesondere durch die Überlagerung der durch die Erregerspulen erzeugten Magnetfelder, zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Sensorsysteme kommen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Winkelmesssystem zu realisieren, das zumindest einen der oben erwähnten Nachteile überkommt. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein günstiges Winkelmesssystem herzustellen. Außerdem soll das Winkelmesssystem besonders platzsparend realisierbar sein. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Weiterhin soll das Winkelmesssystem hohe Auflösungen liefern. Insbesondere sollen die Toleranzen beim Einbau der Winkelmesseinrichtung möglichst groß sein. Weiterhin soll die Winkelmesseinrichtung flexibel einsetzbar sein. Insbesondere soll die Winkelmesseinrichtung robust gegenüber Verschmutzung sein und für verschiedenen Anwendungen auf verschiedenen Größenskalen einsetzbar sein. Darüber hinaus soll die Winkelmesseinrichtung robust gegenüber elektrischen Störfeldern sein.
  • Die obigen Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Entsprechend einer ersten Ausführungsform wird dies erfindungsgemäß gelöst durch ein Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist. Das Winkelmesssystem umfasst eine erste Winkelmesseinrichtung mit einem ersten Kodierer, der am Rotor ausgebildet ist, und einer Leiteranordnung, die am Stator ausgebildet ist, wobei der Kodierer und die Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugen. Weiterhin umfasst die erste Winkelmesseinrichtung einen ersten Sensor, der mit der Leiteranordnung verbunden ist und das erste Signal misst. Weiterhin umfasst das Winkelmesssystem eine zweite Winkelmesseinrichtung mit einem zweiten Kodierer, der am Rotor ausgebildet ist und ein Muster trägt, wobei das Muster vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt. Weiterhin umfasst die zweite Winkelmessreinrichtung einen zweiten Sensor, der basierend auf einer Messung des Musters ein zweites Signal erzeugt. Außerdem umfasst das Winkelmesssystem eine Auswerteeinheit, die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Winkelmesssystem eine erste Winkelmesseinrichtung und eine zweite Winkelmesseinrichtung, wobei sich die erste Winkelmesseinrichtung von der zweiten Winkelmesseinrichtung unterscheidet. Insbesondere unterscheidet sich die physikalische Technologie, durch die die erste Winkelmesseinrichtung den Winkel misst, von der physikalische Technologie, durch die die zweite Winkelmesseinrichtung den Winkel misst. Beispielsweise kann die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung induktiv oder kapazitiv sein. Die physikalische Technologie der zweiten Winkelmesseinrichtung kann beispielsweise magnetisch oder optisch sein.
  • Dieses redundante System von zwei Winkelmesseinrichtungen, das unterschiedliche physikalische Technologien einsetzt, ist besonders robust gegenüber Fehlern. Insbesondere kann, wenn beispielsweise die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung ausfällt, das Winkelmesssystem den Winkel zwischen Rotor und Stator durch die physikalische Technologie der zweiten Winkelmesseinrichtung messen. Vorteilhafterweise messen sowohl die erste als auch die zweite Winkelmesseinrichtung den Winkel zwischen Rotor und Stator absolut.
  • Erfindungsgemäß umfasst die erste Winkelmesseinrichtung eine Leiteranordnung, die am Stator ausgebildet ist. Diese Leiteranordnung wirkt mit dem ersten Kodierer zusammen. Insbesondere wird vom ersten Kodierer in der Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugt. Somit kann durch eine Kopplung des ersten Kodierers mit der Leiteranordnung ein Signal erzeugt werden. Insbesondere wird durch die Kopplung ein vom Winkel abhängiges Spannungssignal in der Leiteranordnung erzeugt, das mit dem ersten Sensor gemessen werden kann.
  • Entsprechend einer Ausführungsform formt die erste Leiteranordnung eine Spule. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform bildet die erste Leiteranordnung eine Kondensatorplatte. Insbesondere diese beiden Ausführungsformen ermöglichen eine berührungslose und insbesondere gegenüber Verschmutzung robuste erste Winkelmesseinrichtung. Dem Fachmann ist klar, dass jede Ausführungsform, mit der berührungslos gemessen werden kann und die robust gegenüber Verschmutzung ist, vorteilhaft für die erste Winkelmesseinrichtung ist.
  • Entsprechend eines ersten Beispiels, insbesondere wenn die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung eine induktive Winkelmessung ermöglicht, kann die erste Leiteranordnung eine Spule formen und der erste Kodierer koppelt mit der Spule induktiv. Beispielsweise ist der erste Kodierer ein elektrischer Leiter, beispielsweise in Form eines Kreissegments. Durch die Änderung der Induktivität oder deren Güte, beispielsweise durch eine Lageänderung des ersten Kodierers relativ zu der leitfähigen und/oder ferromagnetischen Leiteranordnung, wird ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugt.
  • Entsprechend einer Ausführungsform für das erste Beispiel formt die Leiteranordnung eine Spule eines Transformators und der erste Kodierer verändert die induktive Kopplung des Transformators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Transformator eine Senderspule, die am Stator ausgebildet ist, umfasst und die Senderspule am Stator mit einer Spannungsversorgung verbunden ist.
  • Entsprechend eines zweiten Beispiels, wenn die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung eine kapazitive Winkelmessung ermöglicht, kann die erste Leiteranordnung eine Kondensatorplatte bilden und der erste Kodierer koppelt kapazitiv mit der Kondensatorplatte. Beispielsweise ist der erste Kodierer ein elektrischer Leiter in Form eines Kreissegments oder einer geschlossenen Kurve um die Rotationsachse. Durch die winkelabhängige Änderung der Kapazität, wobei die Kapazität aus Leiteranordnung und ersten Kodierer gebildet wird, wird ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugt.
  • Entsprechend einer Ausführungsform für das zweite Beispiel bildet die erste Leiteranordnung eine erste Kondensatorplatte, nämlich eine Winkelsensorelektrode, und der erste Kodierer formt eine zweite Kondensatorplatte, nämlich eine Winkelgeberelektrode. Der erste Kodierer und die Leiteranordnung bilden zusammen einen Messkondensator zwischen dem Rotor und dem Stator, wobei sich die Kapazität CM des Messkondensators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert. Bei bekannter Ladung QM , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, kann über Messen der Spannung UM der Winkel zwischen Rotor und Stator ermittelt werden.
  • Besonders vorteilhaft für diese Ausführungsform ist, wenn die Winkelgeberelektrode des Messkondensators mit einer Speicherelektrode eines Speicherkondensators elektrisch verbunden ist und der Speicherkondensator eine Injektionselektrode umfasst, die am Stator ausgebildet ist. Somit umfasst der Stator die Spannungsversorgung für die erste Winkelmessvorrichtung.
  • In anderen Worten, die erste Winkelmesseinrichtung umfasst in der Ausführungsform für das erste Beispiel und in der Ausführungsform für das zweite Beispiel einen aktiven Aufnehmer, nämlich die Leiteranordnung. Die Leiteranordnung erzeugt aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Signal, beispielsweise eine Spannung. Insbesondere wird in der Leiteranordnung durch die Kopplung mit dem ersten Kodierer eine Spannung erzeugt. Diese kann dann mit dem ersten Sensor ausgewertet werden. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Stator eine Spannungsversorgung für die erste Winkelmesseinrichtung.
  • Erfindungsgemäß trägt der zweite Kodierer der ersten Ausführungsform ein Muster, das am Rotor ausgebildet ist. Das Muster hängt vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ab. Der zweite Sensor erzeugt basierend auf einer Messung des Musters ein zweites Signal. In anderen Worten, der zweite Sensor vermisst das Muster, das vom Winkel abhängt, und gibt ein winkelabhängiges zweites Signal aus.
  • Der zweite Kodierer trägt vorteilhafterweise eine absolute Maßverkörperung als Magnetisierung, Strichmuster (Lichtschranke) oder Kontakte.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform weist der zweite Kodierer ein Muster auf, das durch einen magnetischen Sensor abtastbar ist. Beispielsweise weist das Muster eine Dauermagnetisierung auf. Dann kann die Magnetfeldmodulation mittels Sensoren, die Veränderungen basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven- (AMR), dem Riesenmagnetowiderstand- (GMR) oder dem Halleffekt detektieren, ausgewertet werden. Alternativ kann die Magnetfeldmodulation mittels induktiver Sensoren ausgewertet werden. Insbesondere absolut messende Kodierer arbeiten auf der Grundlage von Maßverkörperungen, die jeder Position ein eindeutiges Signalmuster zuordnen.
  • In anderen Worten, die zweite Winkeleinrichtung umfasst einen passiven Aufnehmer, nämlich den zweiten Kodierer. Durch Änderung des Winkels zwischen Rotor und Stator wird Lage des Sensors um Feld verändert und somit kann der Winkel detektiert werden.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Winkelmesssystem weiterhin eine Auswerteeinheit, die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.
  • Insbesondere durch die Kombination der ersten Winkelmesseinrichtung mit einem aktiven Aufnehmer und der zweiten Winkelmesseinrichtung mit einem passiven Aufnehmer kann ein besonders robustes Winkelmesssystem erzeugt werden, dass besonders ausfallsicher gegenüber verschiedene Arten von Störungen ist.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Sensor und der zweite Sensor auf einer Statorscheibe angeordnet. Außerdem sind der erste Kodierer und der zweite Kodierer auf einer Rotorscheibe angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Rotorscheibe und die Statorscheibe auf einer Welle drehbar um die Rotationsachse angeordnet und die Rotorscheibe und die Statorscheibe sind in Richtung der Rotationsachse versetzt zueinander angeordnet. Somit können Rotor und Stator entlang der Rotationsachse angeordnet werden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hängt das erste Signal von der Überdeckungsfläche des ersten Kodierers und der Leiteranordnung ab. Eine derartige Anordnung ermöglicht, dass so besonders einfach besonders große Änderungen in der Leiteranordnung realisiert werden können.
  • Beispielsweise, wenn die Leiteranordnung auf der Statorscheibe angeordnet ist und der erste Kodierer auf der Rotorscheibe angeordnet ist, ist die Kopplung des ersten Kodierers mit der Leiteranordnung hoch, wenn der erste Kodierer gegenüber der Leiteranordnung liegt. Andererseits ist die Kopplung des ersten Kodierers mit der Leiteranordnung niedrig, wenn der erste Kodierer azimutal oder radial versetzt zur Leiteranordnung positioniert ist.
  • Dem Fachmann ist klar, dass alternativ auch eine Änderung im Abstand zwischen dem ersten Kodierer und der Leiteranordnung zu einer Änderung in der Kopplung führt. Beispielsweise kann der Rotor auf einer schraubenförmigen Schnecke angeordnet sein und durch die Abstandsänderung zum ersten Sensor kann eine Kopplungsänderung erfolgen, die vom Winkel abhängt.
  • Entsprechend einer platzsparenden Ausführungsform sind der erste Kodierer und der zweite Kodierer innerhalb eines Kreisrings um die Rotationsachse angeordnet. Insbesondere liegt ein erster radialer Abstand des ersten Kodierers zur Rotationsachse innerhalb des Kreisrings und ein zweiter radialer Abstand des zweiten Kodierers zur Rotationsachse innerhalb desselben Kreisrings. In anderen Worten, wenn sich der Rotor dreht, formt der erste Kodierer einen ersten Kreisring und der zweite Kodierer formt einen zweiten Kreisring. Der erste Kreisring und der zweite Kreisring überdecken sich zumindest teilweise. Diese platzsparende Anordnung ist insbesondere möglich, da die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung unterschiedlich zur physikalischen Technologie der zweiten Winkelmesseinrichtung ist.
  • Entsprechend einer besonders platzsparenden Ausführungsform überdecken sich der erste Kodierer und der zweite Kodierer zumindest teilweise. Beispielsweise ist der erste Kodierer ein elektrischer Leiter in Form eines Kreissegments und der zweite Kodierer ist ein optisch oder magnetisch abtastbares Muster, welches durch einen Kreisring begrenzt wird.
  • Entsprechend einer weiteren besonders platzsparenden Ausführungsform ist die Leiteranordnung innerhalb eines Kreisringsegments angeordnet. Somit kann der Bauraum für den Stator reduziert werden.
  • Entsprechend einer Ausführungsform erzeugen der ersten Kodierer und die Leiteranordnung ein periodisches Signal der Periode P1. Zusätzlich trägt der zweite Kodierer ein periodisches Muster der Periode P2. Durch periodische Signale kann besonders effizient und platzsparend die Winkelinformation kodiert werden.
  • Zusätzlich können die Periode P1 und P2 so gewählt werden, dass die Werte von P1 und P2 teilerfremd sind. Insbesondere kann somit die Auflösung des Winkelmesssystems erhöht werden, da das Prinzip eines Nonius für das Winkelmesssystem besonders platzsparend umgesetzt werden kann. Somit können sehr hohe Auflösungen erzielt werden.
  • Entsprechend einer zweiten Ausführungsform wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist. Das Winkelmesssystem umfasst eine erste Winkelmesseinrichtung mit einem ersten Kodierer, der am Rotor ausgebildet ist, und einer ersten Leiteranordnung, die am Stator ausgebildet ist, wobei der erste Kodierer und die erste Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugen, wobei der erste Kodierer und die erste Leiteranordnung einen Messkondensator zwischen dem Rotor und dem Stator bilden, wobei sich die Kapazität des Messkondensators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert, und ein erster Sensor, der mit der ersten Leiteranordnung verbunden ist und das erste Signal misst. Weiterhin umfasst das Winkelmesssystem eine zweite Winkelmesseinrichtung mit einem zweiten Sensor, der ein zweites Signal unabhängig vom ersten Signal misst. Weiterhin umfasst das Winkelmesssystem eine Auswerteeinheit, die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Winkelmesssystem der zweiten Ausführungsform eine erste Winkelmesseinrichtung und eine zweite Winkelmesseinrichtung, wobei sich die erste Winkelmesseinrichtung von der zweiten Winkelmesseinrichtung unterscheidet. Insbesondere unterscheidet sich die physikalische Technologie, durch die die erste Winkelmesseinrichtung den Winkel misst, von der physikalischen Technologie, durch die die zweite Winkelmesseinrichtung den Winkel misst. Beispielsweise kann die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung induktiv oder kapazitiv sein. Die physikalische Technologie der zweiten Winkelmesseinrichtung kann beispielsweise magnetisch oder optisch sein.
  • Dieses redundante System von zwei Winkelmesseinrichtungen, das unterschiedliche physikalische Technologien einsetzt, ist besonders robust gegenüber Fehlern. Insbesondere kann, wenn beispielsweise die physikalische Technologie der ersten Winkelmesseinrichtung ausfällt, das Winkelmesssystem den Winkel zwischen Rotor und Stator durch die physikalische Technologie der zweiten Winkelmesseinrichtung messen. Vorteilhafterweise messen sowohl die erste als auch die zweite Winkelmesseinrichtung den Winkel zwischen Rotor und Stator absolut.
  • Entsprechend der zweiten Ausführungsform formt die erste Leiteranordnung eine erste Kondensatorplatte, nämlich eine Winkelsensorelektrode, und der erste Kodierer formt eine zweite Kondensatorplatte, nämlich eine Winkelgeberelektrode. Der erste Kodierer und die Leiteranordnung bilden zusammen einen Messkondensator zwischen dem Rotor und dem Stator, wobei sich die Kapazität CM des Messkondensators erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert. Bei bekannter Ladung QM , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, kann über Messen der Spannung UM der Winkel zwischen Rotor und Stator ermittelt werden.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erste Winkelmesseinrichtung das Winkelmesssystem der ersten und der zweiten Ausführungsform einen Speicherkondensator mit einer Injektionselektrode, die am Stator ausgebildet ist, und einer Speicherelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei durch Anlegen einer Spannung an der Injektionselektrode unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator eine Ladung in der Speicherelektrode gespeichert wird. Weiterhin umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Messkondensator mit einer Winkelsensorelektrode, die am Stator ausgebildet ist, und einer Winkelgeberelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Messkondensators von dem Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt. Weiterhin umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Sensor, der mit der Winkelsensorelektrode verbunden ist, zum Messen der Kapazitätsänderung des Messkondensators. Die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode der Winkelmesseinrichtung sind elektrisch leitend verbunden.
  • Nach dem Anlegen einer Gleichspannung an die Injektionselektrode des Speicherkondensators lädt sich die gegenüberliegende Speicherelektrode gegenpolig auf. Bei einer Gleichspannungsquelle folgt die Spannung am Kondensator einer Exponentialfunktion mit negativem Exponenten, so dass der Strom mit der Zeit asymptotisch gegen null geht. Haben Spannungsquelle und Kondensator die gleiche Spannung, dann fließt kein Strom, d.h. der Kondensator ist vollgeladen.
  • Generell gilt, je größer die Kapazität CS des Speicherkondensators ist, desto mehr Ladung Q kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung U, die an der Injektionselektrode angelegt wird, speichern.
  • Vorteilhafterweise ist der Speicherkondensator so ausgestaltet, dass unabhängig vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator eine Ladung Qs an der Speicherelektrode gespeichert wird. In anderen Worten, durch den Effekt der Influenz, auch als elektrostatische Induktion bezeichnet, kommt es, wenn die Spannung Us an der Injektionselektrode angelegt wird, durch das elektrische Feld des Speicherkondensators zu einer räumlichen Verschiebung elektrischer Ladungen an der Speicherelektrode. Am Beispiel des Plattenkondensators oder Zylinderkondensators bedeutetet das, dass die Injektionselektrode der Speicherelektrode gegenüberliegt und sich die Injektionselektrode und die Speicherelektrode unabhängig vom Winkel zumindest teilweise überlappen.
  • Die influenzierte Ladung Qs, die vorteilhafterweise unabhängig vom Winkel im Speicherkondensator gespeichert wird, ermöglicht es, dass der Rotor als passives Bauelement gestaltet werden kann. Insbesondere muss der Rotor nicht mit einer unabhängigen Spannungsversorgung versehen sein und kann separiert vom Stator angebracht werden.
  • Vorteilhafterweise ist auf dem Rotor die Speicherelektrode elektrisch mit der Winkelgeberelektrode des Messkondensators verbunden. Durch diese elektrische Verbindung werden Ladungsträger zwischen der Speicherelektrode und der Winkelgeberelektrode verschoben, sobald die influenzierte Ladung Qs in der Speicherelektrode gespeichert wird. Insbesondere wird auf der Winkelgeberelektrode eine gegengleiche Ladung QM influenziert.
  • Der Ladung QM , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, führt zu einer Spannung UM an der Winkelsensorelektrode des Messkondensators. Die Winkelsensorelektrode ist mit einem Sensor verbunden. Der Sensor misst die Spannung UM und kann somit Kapazitätsänderungen detektieren. Insbesondere neuartige Sensoren, die günstig in der Herstellung sind, ermöglichen hochgenaue Messung von Kapazitätsänderungen.
  • Nach der zweiten Ausführungsform hängt die Kapazität CM des Messkondensators von dem Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ab. Bei bekannter Ladung QM , die an der Winkelgeberelektrode influenziert wird, kann über Messen der Spannung UM der Winkel zwischen Rotor und Stator ermittelt werden.
  • Vorteilhafterweise wird winkelunabhängig eine konstante Ladung Qs an der Winkelgeberelektrode influenziert, so dass auch die Ladung QM konstant ist. Dem Fachmann ist klar, dass QM aber auch über die Geometrie des Systems bestimmbar ist.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der zweiten Ausführungsform umfasst die zweite Winkelmesseinrichtung einen zweiten Kodierer, der am Rotor ausgebildet ist, und eine zweite Leiteranordnung, die am Stator ausgebildet ist, wobei der zweite Kodierer und die zweite Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges zweites Signal erzeugen.
  • Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die zweite Leiteranordnung eine Spule eines Transformators bildet und der zweite Kodierer die induktive Kopplung des Transformators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert, und der zweite Sensor mit der zweiten Leiteranordnung verbunden ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist, umfasst die Schritte:
    • Erzeugen eines vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängigen ersten Signals mittels eines ersten Kodierers und einer Leiteranordnung,
    • Erzeugen eines zweiten Signals basierend auf einer Messung des Musters auf einem zweiten Kodierer, das vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, und
    • Ermitteln des Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal.
  • Im Folgenden werden vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben, wenn die erste Winkelmesseinrichtung der ersten oder zweiten Ausführungsform einen Messkondensator und einen Speicherkondensator aufweist.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Injektionselektrode und die Winkelsensorelektrode auf einer Statorscheibe angeordnet. Außerdem sind die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode auf einer Rotorscheibe angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Rotorscheibe und die Statorscheibe auf einer Welle drehbar um die Rotationsachse angeordnet und die Rotorscheibe und die Statorscheibe sind in Richtung der Rotationsachse versetzt zueinander angeordnet.
  • Somit können Rotor und Stator entlang der Rotationsachse angeordnet werden. In anderen Worten, Speicherkondensator und Messkondensator bilden Plattenkondensatoren.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hängt die Kapazität des Messkondensators von der Überdeckungsfläche der Winkelsensorelektrode und der Winkelgeberelektrode ab. Eine derartige Anordnung ermöglicht, dass besonders einfach besonders große Kapazitätsänderung realisiert werden können. Dem Fachmann ist klar, dass alternativ die Kapazität von der relativen Primitivität eines Dielektrikums, das zwischen Rotor und Stator eingebracht werden kann, winkelabhängig eingestellt werden kann.
  • Generell gilt für den Plattenkondensator, dass die Kapazität proportional zur Fläche der Kondensatorelektroden und invers proportional zum Abstand der Kondensatorelektroden ist. Aufgrund der Darstellung wird im Folgenden vereinfacht angenommen, dass die Winkelgeberelektrode und die Winkelsensorelektrode Flächen eines Plattenkondensators sind. Dann gilt, dass durch die Drehung des Rotors relativ zum Stator die Überdeckungsfläche geändert wird. Durch die Änderung der Überdeckungsfläche ändert sich die Kapazität des Messkondensators und somit kann der Winkel bestimmt werden.
  • Beispielsweise, wenn die Winkelgeberelektrode auf der Statorscheibe angeordnet ist und die Winkelsensorelektrode auf der Rotorscheibe angeordnet ist, ist die Kapazität des Messkondensators hoch, wenn die Winkelgeberelektrode gegenüber der Winkelsensorelektrode liegt, und die Kapazität des Messkondensators ist niedrig, wenn die Winkelgeberelektrode azimutal oder radial versetzt zur Winkelsensorelektrode ist.
  • Dem Fachmann ist klar, dass alternativ auch eine Änderung im Abstand zwischen Winkelgeberelektrode und Winkelsensorelektrode zu einer Kapazitätsänderung führen. Beispielsweise kann der Rotor auf einer schraubenförmigen Schnecke angeordnet sein und durch die Abstandsänderung zum Sensor kann eine Kapazitätsänderung erfolgen, die vom Winkel abhängt.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Injektionselektrode als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die Speicherelektrode als Kreisringsegment oder als Kreisring um die Rotationsachse ausgebildet. Insbesondere, wenn Injektionselektrode und Speicherelektrode als Kreisring ausgeführt werden, kann winkelunabhängig eine konstante Ladung auf der Speicherelektrode influenziert werden. Dem Fachmann ist klar, dass beispielsweise aber auch die Injektionselektrode oder die Speicherelektrode als Kreisringsegment ausgestaltet sein können, um beispielsweise Bauraum zu sparen.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Messkondensator eine Vielzahl von N Kondensatorelementen aufweist, wobei N eine ganze Zahl größer 1 ist. Weiterhin besteht die Winkelsensorelektrode aus einer Vielzahl von N Messzellen und jede der N Messzellen ist elektrisch isoliert von der Vielzahl von N Messzellen am Stator ausgebildet, wobei jede Messzelle und die Winkelgeberelektrode je ein Kondensatorelement bilden. Außerdem umfasst die Winkelmesseinrichtung eine Vielzahl von M Sensoren, wobei M eine ganze Zahl größer 1 und kleiner oder gleich N ist und wobei jeder der M Sensoren mit zumindest einer der N Messzellen zum Messen der Kapazitätsänderung des Kondensatorelements verbunden ist.
  • Durch die Verwendung von mehreren Sensoren kann die Genauigkeit der Winkelmesseinrichtung weiter erhöht werden.
  • Zusätzlich können die N Messzellen in L Messsegmenten gruppiert werden, wobei jedes der L Messsegmente K benachbart angeordnete Messzellen umfasst, wobei K und L ganze Zahlen größer 1 und kleiner N sind. Außerdem ist jeder der M Sensoren mit L Messzellen verbunden ist.
  • Insbesondere vorteilhaft ist, wenn jedes der L Messsegmente acht Kondensatorelement aufweist und diese mit zwei Sensoren verbunden sind. Insbesondere acht Kondensatorelemente ermöglichen eine differentielle Messung. Somit können sowohl Interferenzen durch externe elektrische Felder unterdrückt oder reduziert werden als auch die Fehler in der Ausrichtung zwischen Rotor und Stator kompensiert werden, beispielsweise wenn der Rotor nicht parallel zum Stator ausgerichtet ist. Dem Fachmann ist klar, dass eine Winkelmessung aber auch mit nur vier Kondensatorelementen möglich ist.
  • Insbesondere durch das Verbinden mehrerer Messzellen mit einem Sensor können Fehler, beispielsweise die Verschmutzung einer Messzelle, ausgeglichen werden.
  • Zusätzlich kann jedem der M Sensoren jeweils eine der K Messzellen eines Messsegments zugeordnet sein.
  • Das Verbinden gleicher Messzellen unterschiedlicher Messsegmente verbessert die Sensibilität des Sensors. Insbesondere wird dadurch die Messspannung erhöht. Außerdem können durch dadurch Fehler vermieden oder zumindest reduziert werden. Insbesondere können Fehler, die durch die mechanische Ausrichtung des Winkelsensorelektrode zur Winkelgeberelektrode verursacht sind, vermieden werden. Weiterhin können Störsignale, die durch externe elektrische Felder verursacht sind, vermieden werden, indem die Signale symmetrisch übertragen werden.
  • Besonders platzsparend ist es, wenn zumindest ein Teil der N Messzellen kreisförmig um die Rotationsachse angeordnet wird.
  • Zusätzlich oder alternativ können je zwei Messzellen der Vielzahl von N Messzellen ein Messzellenpaar bilden, wobei die Messzellen eines Messzellenpaars zur Rotationsachse radial versetzt zueinander angeordnet sind. Insbesondere wenn die Kapazität des Messkondensators sinusförmig vom Winkel abhängt, ermöglicht ein Paar von Messzellen eine differentielle Messung. Somit kann die Genauigkeit weiter erhöht werden.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist die Winkelgeberelektrode als geschlossene Kurve um die Rotationsachse ausgebildet. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die geschlossene Kurve ein Kreisring moduliert mit einer periodischen Funktion der Periode P ist, wobei P eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, und der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve versetzt zur Rotationsachse ist.
  • Beispielsweise, wenn die Periode 1 ist, ist die geschlossene Kurve ein Kreisring, wobei der Schwerpunkt des Kreisrings versetzt zum Mittelpunkt der Drehachse ist. Somit verändert sich die Kapazität des Messkondensators während einer Umdrehung sinusförmig und bei geeigneter Platzierung der Winkelgeberelektrode zur Winkelsensorelektrode kann jedem Kapazitätswert des Messkondensators ein Winkel zugeordnet werden.
  • Somit kann die Winkelgeberelektrode besonders platzsparend am Rotor angebracht werden und die Messung kann besonders robust erfolgen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn in dieser Ausführungsform zusätzlich ein Messzellenpaar verwendet wird. Dann kann eine Winkelgeberelektrode so zur Winkelsensorelektrode angeordnet werden, dass eine Messzelle eine sinusförmige Änderung der Kapazität misst und eine zweite Messzelle eine cosinusförmige Änderung der Kapazität misst. Aus der Kombination der beiden Werte kann der Winkel besonders robust bestimmt werden. Beispielsweise kann dann der Arkustangens gebildet werden, der einen robusten Wert zur Winkelbestimmung liefet.
  • Vorteilhaft ist es, wenn in dieser Ausführungsform die Periode L ist und N Messzellen in L Messsegmenten gruppiert sind. Somit kann die Informationsdichte der Winkelposition in der Winkelgeberelektrode besonders effizient codiert werden und die M Sensoren diese Information besonders genau messen.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform sind die Injektionselektrode und die Winkelsensorelektrode als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte gefertigt. Alternativ oder zusätzlich sind die Speicherelektrode und die Winkelgeberelektrode als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte gefertigt. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Wickelmesseinrichtung eine Spannungsversorgung, die mit der Injektionselektrode verbunden ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatte als gedruckte Leiterplatte (engl. printed circuit board „PCB“) gefertigt ist und die elektrischen Bauteile, also der Winkelsensorelektrode, die Winkelgeberelektrode, die Injektionselektrode, die Speicherelektrode und oder die elektrische Verbindung zwischen Speicherelektrode und Winkelgeberelektrode aus Kupfer gefertigt sind.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst die Winkelmesseinrichtung eine Spannungsversorgung, die mit der Injektionselektrode verbunden ist.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Winkelmesseinrichtung einen zweiten Messkondensator, mit einer zweiten Winkelsensorelektrode die am Stator ausgebildet ist, und eine zweite Winkelgeberelektrode, die am Rotor ausgebildet ist, wobei die Kapazität des zweiten Messkondensators vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, und wobei die Speicherelektrode und die zweite Winkelgeberelektrode elektrisch leitend verbunden sind.
  • Ein zweiter Messkondensator ermöglicht, dass die Auflösung der Winkelmesseinrichtung weiter erhöht werden kann. Außerdem kann somit besonders effizient eine absolute Winkelmessung erfolgen, da zwei Messsignale verglichen werden können. Somit kann das Prinzip eines Nonius angewandt werden.
  • Insbesondere kann die Auflösung erhöht werden, wenn die erste und die zweite Winkelgeberelektrode jeweils als geschlossene Kurve um die Rotationsachse ausgeführt sind, wobei die geschlossene Kurve ein Kreisring moduliert mit einer periodischen Funktion der Periode P ist, und der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve versetzt zur Rotationsachse ist, und die Periode P1 der ersten Winkelgeberelektrode und die Periode P2 der Winkelgeberelektrode teilerfremd sind. Dann ist es möglich, dass das Prinzip eines Nonius für die Winkelmesseinrichtung besonders platzsparend umgesetzt werden kann. Somit können sehr hohe Auflösungen erzielt werden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass durch weitere Messkondensatoren das System weiter verbessert werden kann.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht des generellen Prinzips des Winkelmesssystems;
    • 2 eine schematische Ansicht eines Kodierers des Winkelmesssystems;
    • 3 einen Graphen zur Bestimmung des Winkels basierend auf den gemessenen Signalen des Winkelmesssystems;
    • 4 einen weiteren Graphen zur Bestimmung des Winkels basierend auf den gemessenen Signalen des Winkelmesssystems;
    • 5 eine schematische Ansicht einer Fehlerkorrektureinrichtung;
    • 6 einen Graphen zur Bestimmung eines Fehlers basierend auf den gemessenen Signalen des Winkelmesssystems;
    • 7 einen weiteren Graphen zur Bestimmung eines Fehlers basierend auf gemessenen Signalen des Winkelmesssystems;
    • 8 einen weiteren Graphen zur Bestimmung eines Winkels basierend auf gemessenen Signalen des Winkelmesssystems;
    • 9 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe einer ersten Winkelmesseinrichtung;
    • 10 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe der ersten Winkelmesseinrichtung;
    • 11 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe überdeckt mit einer Rotorscheibe der ersten Winkelmesseinrichtung;
    • 12 einen Graphen der gemessenen Signale der ersten Winkelmesseinrichtung;
    • 13 eine schematische Ansicht des generellen Konzepts einer zweiten Winkelmesseinrichtung;
    • 14 einen Graphen der gemessenen Signale der zweiten Winkelmesseinrichtung;
    • 15 eine schematische perspektivische Ansicht der zweiten Winkelmesseinrichtung;
    • 16 eine schematische Ansicht des generellen Konzepts einer dritten Winkelmesseinrichtung;
    • 17 eine schematische Ansicht einer Auswerteeinheit der dritten Winkelmesseinrichtung;
    • 18 einen Graph des gemessenen Signals der dritten Winkelmesseinrichtung;
    • 19 eine schematische perspektivische Ansicht der dritten Winkelmesseinrichtung;
    • 20 einen weiteren Graphen des gemessenen Signals der dritten Winkelmesseinrichtung;
    • 21 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe eines ersten Winkelmesssystems;
    • 22 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe des ersten Winkelmesssystems;
    • 23 eine schematische Ansicht der Statorscheibe überdeckt mit der Rotorscheibe des ersten Winkelmesssystems;
    • 24 eine schematische Ansicht der ersten Winkelmesseinrichtung des ersten Winkelmesssystems;
    • 25 einen Graphen der gemessenen Signale des ersten Winkelmesssystems;
    • 26 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe eines zweiten Winkelmesssystems;
    • 27 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe des zweiten Winkelmesssystems;
    • 28 eine schematische Ansicht der Statorscheibe überdeckt mit der Rotorscheibe des zweiten Winkelmesssystems;
    • 29 eine schematische Ansicht einer Statorscheibe eines dritten Winkelmesssystems;
    • 30 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe des dritten Winkelmesssystems;
    • 31 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Statorscheibe des dritten Winkelmesssystems;
    • 32 eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe entsprechend der zweiten Ausführungsform des dritten Winkelmesssystems; und
    • 33 ein Gehäuse für die zweite Ausführungsform des dritten Winkelmesssystems.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe der Figuren beschrieben.
  • Generelles Prinzip des Winkelmesssystems
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht des generellen Prinzips des Winkelmesssystems. Das zugrundeliegende Konzept des Winkelmesssystems besteht darin, dass zwei verschiedene physikalische Technologien zur redundanten Messung des Winkels verwendet werden, beispielsweise durch Zusammenführen in einem Bauteil. Wie in 1 dargestellt umfasst das Winkelmesssystem 1000 ein erstes Messmittel 1100, ein zweites Messmittel 1200 und eine Auswerteeinheit 1300.
  • Generell ist das Eingangssignal eines Messmittels eine physikalisch messbare Größe. Weiterhin werden Kodierer zur Signalbildung verwendet, wobei basierend auf der Bewegung des Kodieres ein winkelabhängiges Signal erzeugt wird. Weiterhin umfasst das Messmittel einen Sensor. Insbesondere wird im Folgenden der Teil des Messmittels, der auf die Messgröße unmittelbar anspricht, Messgrößen-Aufnehmer, Sensor oder Messfühler genannt.
  • Generell werden im Sensor mittels physikalischer oder chemischer Effekte weiterverarbeitbare Größen erzeugt, überwiegend in der Form elektrischer Signale. Als Ausgangssignal des Messmittels wird häufig ein normiertes analoges elektrisches Einheitssignal generiert.
  • Als Zwischenschritte sind dabei oft Fehlerkorrekturen, Verstärkung und Linearisierung notwendig. Insbesondere wird das Ausgangssignal des Messmittels mit einem Messwandler umgewandelt.
  • Wie in 1 gezeigt ist das erste Messmittel 1100 mit einem ersten Messwandler, beispielsweise einem integrierten Schaltkreis IC1, verbunden, der basierend auf einer Ausgabe des ersten Messmittels 1100 ein erstes winkelabhängiges elektrisches Signal erzeugt. Das zweite Messmittel 1200 ist mit einem zweiten Messwandler, beispielsweise einem integrierten Schaltkreis IC2, verbunden, der basierend auf einer Ausgabe des zweiten Messmittels 1200 ein zweites winkelabhängiges elektrisches Signal erzeugt.
  • Die Auswerteeinheit 1300, beispielsweise ein Microcontroller, ermittelt basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen einem Rotor und einem Stator.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Kodierers 2100 eines ersten Messmittels und einen zweiten Kodierer 2200 eines zweiten Messmittels. Die Kodierer 2100 und 2200 erzeugen ein winkelabhängiges Signal, wobei das Signal eine physikalisch messbare Größe ist.
  • Wie in 2 gezeigt, sind der erste Kodierer 2100 und der zweite Kodierer 2200 in ganzzahlige Segmente unterteilt, wobei jedes Segment einen Winkelbereich überdeckt. Insbesondere überdecken die benachbarten Segmente gleiche Winkelbereiche.
  • Beispielsweis ist der erste Kodierer 2100 in n1 = 2 Segmente 2101 und 2102 unterteilt, die jeweils einen Winkelbereich von 360°/n1 = 180° abdecken, und der zweite Kodierer 2200 in n2 = 3 Segmente 2201, 2202 und 2203 unterteilt, die jeweils einen Winkelbereich von 360°/n2=120° abdecken. Somit kann sowohl basierend auf dem ersten Kodierer als auch basierend auf dem zweiten Kodierer ein Winkel zwischen einem Rotor und dem Stator bestimmt werden.
  • Wie weiter in 2 gezeigt, erzeugt die Überlagerung des ersten Kodierers 2100 und des zweiten Kodierers 2200 einen überlagerten Kodierer 2000, der n = n1*n2 = 2*3 = 6 Segmente aufweist. Durch Kombination beider Kodierer kann die Auflösung verbessert werden, da jedes Segment des überlagerten Kodierers 2000 einen Winkelbereich von 360°/n=60° abdeckt. Gleichzeitig liefert jeder der Kodierer 2100 und 2200 einen unabhängigen Wert für den Winkel.
  • Die Auswertung des überlagerten Kodierers 2000 wird weiter mit 3 beschrieben, einem Graphen, der die Signale ael (S2 und S1) des ersten Kodierers 2100 und des zweiten Kodierers 2200 abhängig vom Winkel amech zwischen Rotor und Stator zeigt. Wie in 3 gezeigt, basiert das erste Signal S2 auf dem ersten Kodierer 2100. Insbesondere zeigt das erste Signal S2 eine Periode P1 von n1=2 im Winkelmessbereich. Weiterhin basiert das zweite Signal S1 auf dem zweiten Kodierer 2200. Insbesondere zeigt das zweite Signal S1 eine Periode P2 von n2=3 im Winkelmessbereich. Die Auswerteeinheit kann durch Überlagerung der beiden Signale den Winkelmessbereich in n=n1*n2=6 Bereiche unterteilen und somit kann die Auflösung erhöht werden.
  • 4 zeigt eine weitere Darstellung für die Auswertung der n=6 Segmente des überlagerten Kodierers 2000. Es wird jeweils das zweite Signal S1 (ael, 1) gegenüber dem ersten Signal S2 (ael, 2) aufgetragen. Die Phasenebene zeigt dann die eindeutige Zuordnung für den Winkel amech.
  • Insbesondere vorteilhaft ist, wenn eine Vernier-Skala, auch als Nonius bekannt, verwendet wird, also wenn die Perioden P1 und P2 der periodischen Signale teilerfremd sind. Dem Fachmann ist klar, dass dies beispielsweise durch geeignete Wahl der Anzahl n1 und n2 der Segmente des ersten Kodierers bzw. des zweiten Kodierers erreicht werden kann.
  • Eine erste Winkelmesseinrichtung umfasst das erste Messmittel 1100 und den ersten Kodierer 2100, wobei die Periode P1 des ersten winkelabhängiges elektrisches Signals S1 von der Anzahl der Segmente des ersten Kodierers 2100 abhängt. Eine zweite Winkelmesseinrichtung umfasst das zweite Messmittel 1200 und den zweiten Kodierer 2200, wobei die Periode P2 des zweiten winkelabhängiges elektrischen Signals S2 von der Anzahl der Segmente des zweiten Kodierers 2200 abhängt.
  • Sicherheitsintegritätsstufen
  • Die beiden Subsysteme, also die erste Winkelmesseinrichtung und die zweite Winkelmesseinrichtung, stellen jeweils vollwertige Rotorlagegeber mit unterschiedlicher Periodenanzahl ni (mit i=1,2) dar. Aufgrund der Heterogenität der Winkelmesseinrichtung und insbesondere der Sensortechnologien, kann man sogenannte gleichartige Fehler (Common Mode Failures) ausschließen. Dadurch liefert jede Winkelmesseinrichtung bei Ausfall einer Technologie weiterhin jederzeit einen Winkel. Somit kann die Ausfallsicherheit des Winkelmesssystems erhöht werden.
  • Jede Winkelmesseinrichtung umfasst einen Sensor, der anfangs kalibriert werden kann, um etwaige Offset-, Amplituden- oder Phasenabweichungen zu kompensieren. In 5 wird links die Korrekturreihenfolge und deren Auswirkung auf einen Signalpfad dargestellt. Insbesondere ist der Signalpfad für das erste Messmittel und das zweite Messmittel gleich. Jeder Pfad hat eine InPhase (I) - und eine Quadratur (Q) -Komponente. Die Indizes o, a und c repräsentieren die kompensierten Signale nach der Offset-, Amplituden- und Phasenkorrektur. Die Auswirkungen der Korrektur sind in der Grafik rechts dargestellt. Die ovale Kurve rechts eines realen Signals wird durch die Korrekturen in einen Einheitskreis umgewandelt.
  • Um den Sensor robust und zuverlässig zu gestalten, können in Bezug auf die funktionale Sicherheit beispielsweise folgende Fehlererkennungsmechanismen in einer Auswerteeinheit implementiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird für die Auswertung, wie in 6 dargestellt, die Zeigerlänge des jeweiligen Signals eines Messmittels ausgewertet. Hierbei wird die Amplitude des periodisch generierten Signals ausgewertet. Der Faktor der InPhasen-Komponente I (Kosinus) und der Quadrature-Komponente Q (Sinus) ist bei einer festen Phasenbeziehung (hier 90°) und konstanter Temperatur konstant. Die Zeigerlänge über die komplette Periode dargestellt ergibt einen Kreis mit konstantem Radius. Die angewandte mathematische Rechenvorschrift sowie eine Veranschaulichung der Zeigerlänge sind in 6 dargestellt.
  • Weiterhin wird die Phasenkomponente des jeweiligen Messmittels /Signalpfads ausgewertet. Die InPhasen (I) - und Quadraturkomponente (Q) sind orthogonal zueinander. Diese Orthogonalität kann über die Zeigerlänge an festen Winkelwerten ausgewertet werden. Besonders geeignete Winkelpaare sind 45° und 135°, 135° und 225°, 225° und 315° sowie 315° und 45°, da dort die Amplitudenwerte betragsgleich sind.
  • Weiterhin werden die Nulldurchgänge, wie in 7 dargestellt, des jeweiligen Messmittels /Signalpfads ausgewertet. 7 zeigt eine normierte Spannung über einem Winkel für ein sinusförmiges Signal. Ein sinusförmiges Signal weist pro Periode zwei Nulldurchgänge auf. Durch die Segmentierung der beiden Signalpfade in N1 beziehungsweise N2 Perioden sind pro Umlauf 2x Ni (mit i= 1,2) Nulldurchgänge zu erwarten. Diese lassen sich über einen Zähler erfassen und gegenseitig zueinander vergleichen.
  • Anhand der Auswertung aufeinander folgender Winkelwerte des jeweiligen Signals lässt sich basierend auf der maximalen Rotationsgeschwindigkeit und dem spezifizierten Spannungssignalbereich eine obere Grenze für die absolute Spannungsänderung zweier aufeinanderfolgenden Auslesewerte eines Signals definieren. Der höchste Gradient ist für den Sinus bei 0° und 180° sowie für den Kosinus bei 90° und 270° zu erwarten. Vorteilhafterweise wird zusätzlich die dazugehörige Winkeländerung, über die Beziehung Winkel = Geschwindigkeit * Zeit, bestimmt.
  • Die Auswertung aufeinander folgender Winkelwerte stellt auch eine Möglichkeit dar, die Geschwindigkeit des Rotors zu überprüfen. Insbesondere sind die beiden Messmittel durch die Anzahl der Perioden (N1, N2) verknüpft.
  • Die Verknüpfung beider Signalpfade ist, wie oben in 4 beschrieben, durch die Pha eines zweiten Kodierers über dem normalisierten Phasenwinkel eines ersten Kodierers aufgetragen ist. Insbesondere haben der erste und der zweite Kodierer eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten n1=5 und n2=7. Die Reihenfolge beider Signalpfade /Messeinrichtungen wird durch die Anordnung der Kodierer am Rotor gegeben. Somit gibt es nur eine begrenzte Anzahl gültiger Sprünge zwischen zwei Zeilen, z.B. von 7 nach 2 (oder umgekehrt). Dies bietet eine weitere Möglichkeit, die Plausibilität der Messdaten zu überprüfen.
  • Aus dem obigen folgt, dass jede der zwei Winkelmesseinrichtung zwei Signale bereitstellt. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die zwei Signale der ersten Winkelmesseinrichtung periodische Signale mit Periode P1 sind und die zwei Signale der zweiten Winkelmesseinrichtung periodische Signale mit Periode P2 sind.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Werte der Perioden P1 und P2 teilerfremd sind.
  • Insbesondere vorteilhaft ist, wenn jede Winkelmesseinrichtung ein Paar von gleichartigen Signalen erzeugt, die eine feste Phasenbeziehung aufweisen. Beispielsweise kann ein Paar von Signalen ein sinusförmiges Signal und ein cosinusförmiges Signal umfassen. Insbesondere kann dann durch bilden des Arkustangens ein besonders robustes Signal erzeugt werden
  • Kapazitive Winkelmesseinrichtung
  • Im Folgenden wird eine erste physikalische Technologie beschrieben, die für eine Winkelmesseinrichtung des Winkelmesssystems verwendet werden kann. Die physikalische Technologie basiert auf der Messung einer Kapazität eines Kondensators, wobei sich die Kapazität in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ändert.
  • Entsprechend einer Ausführungsform formt eine Leiteranordnung eine erste Kondensatorplatte, wobei die erste Kondensatorplatte mit dem Kodierer einen Messkondensator zwischen einem Rotor und einem Stator bildet.
  • 9 ist eine schematische Ansicht der Statorscheibe 200 der Winkelmesseinrichtung. Die Statorscheibe 200 umfasst eine Injektionselektrode 210, eine erste Winkelsensorelektrode 220 und eine zweite Winkelsensorelektrode 230. Die Injektionselektrode 210, die erste Winkelsensorelektrode 220 und die zweite Winkelsensorelektrode 230 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 240 angeordnet.
  • Die Injektionselektrode 210 und die Winkelsensorelektroden 220 und 230 sind aus einem leitenden Material, beispielweise Kupfer, gefertigt und sind auf einer elektrisch isolierenden Fläche 250 angeordnet. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Fläche 250 eine flexible Leiterplatte sein, auf die die elektrischen Strukturen der Injektionselektrode 210 und der Winkelsensorelektroden 220 und 230 gedruckt sind. Alternativ kann die Statorscheibe aus einem starren Material gefertigt werden. An der Rotationsachse 240 kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, um beispielweise die Statorscheibe 200 an einer Welle zu fixieren. Entsprechend der gezeigten Ausführungsform ist die Injektionselektrode 210 als Kreisring mit Radius S10 ausgebildet. Alternativ kann die Injektionselektrode auch als Kreisringsegment ausgebildet sein. Weiterhin hat die Injektionselektrode 210 den kleinsten Abstand zur Rotationsachse 240 und die Winkelsensorelektrode 220 und 230 haben größere Radien. Alternativ kann die Injektionselektrode auch zwischen den Winkelsensorelektroden 220 und 230 angeordnet sein oder der Abstand zur Rotationsachse 240 der Injektionselektrode kann größer sein als der Abstand der Winkelsensorelektrode 220 und 230 zur Rotationsachse 240.
  • Entsprechend einer Ausführungsform besteht die erste Winkelsensorelektrode 220 aus einer Vielzahl von Messzellen. In 9 sind aus Übersichtsgründen lediglich Messzellen 221-223 der ersten Winkelsensorelektrode 220 mit Referenzzeichen versehen. Die Messzelle 221 formt ein Kreisringsegment mit Radius S21 und die Messzellen 222 und 223 formen Kreisringsegmente mit Radius S22 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ermöglicht die Vielzahl von Messzellen mit unterschiedlichen Radien S21 und S22, dass Paare von Messzellen gebildet werden können. Wie später mit Bezug auf 11 näher ausgeführt wird, können Paare von Messzellen unterschiedlich verschaltet werden, beispielsweise können Parallel- oder Differenzschaltung realisiert werden.
  • Beispielsweise umfasst ein erstes Paar die Messzellen 221 und 222. Der Schwerpunkt jeder Messzelle des ersten Paars hat einen ersten Winkel α1 relativ zur Rotationsachse 240, der im Wesentlichen gleich für die Messzellen 221 und 222 ist und wobei die Radien S21 und S22 der Messzellen 221 und 222 unterschiedlich sind.
  • Alternativ oder zusätzlich umfasst ein zweites Paar die Messzellen 221 und 223. Der Schwerpunkt der Messzelle 221 des zweiten Paars hat einen ersten Winkel α1 relativ zur Rotationsachse 240. Der Schwerpunkt der Messzelle 223 des zweiten Paars hat einen zweiten Winkel α2 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ist der Winkel α1 unterschiedlich zum Winkel α2.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform besteht die zweite Winkelsensorelektrode 230, wie die erste Winkelsensorelektrode, auch aus einer Vielzahl von Messzellen. In 9 sind aus Übersichtsgründen lediglich Messzellen 231-233 der zweiten Winkelsensorelektrode 230 mit Referenzzeichen versehen. Messzelle 231 formt ein Kreisringsegment mit Radius S31 und Messzellen 232 und 233 formen Kreisringsegmente mir Radius S32 zur Rotationsachse 240. Die Radien S31 und S32 der zweiten Winkelsensorelektrode 230 sind größer als die Radien S21 und S22 der ersten Winkelsensorelektrode 220.
  • Insbesondere ermöglicht die Vielzahl von Messzellen mit unterschiedlichen Radien S31 und S32, dass weitere Paare von Messzellen gebildet werden können. Wie später mit Bezug zu 11 näher ausgeführt, können Paare von Messzellen unterschiedlich verschaltet werden, beispielsweise können Parallel- oder Differenzschaltung realisiert werden.
  • Beispielsweise umfasst ein erstes Paar die Messzellen 231 und 222. Der Schwerpunkt jeder Messzelle des ersten Paars hat einen ersten Winkel β1 relativ zur Rotationsachse 240, der im Wesentlichen gleich für die Messzellen 231 und 232 ist und wobei die Radien der Messzellen 231 und 232 unterschiedlich sind.
  • Alternativ oder zusätzlich umfasst ein zweites Paar die Messzellen 231 und 233. Der Schwerpunkt der Messzelle 231 des zweiten Paars hat einen ersten Winkel β1 relativ zur Rotationsachse 240. Der Schwerpunkt der Messzelle 233 des zweiten Paars hat einen zweiten Winkel β2 relativ zur Rotationsachse 240. Insbesondere ist der Winkel β1 unterschiedlich zum Winkel β2.
  • Alle Messzellen der ersten Winkelsensorelektrode und der zweiten Winkelsensorelektrode sind voneinander elektrisch isoliert auf der Rotationsscheibe 200 angeordnet. Insbesondere wird die Isolierung durch die elektrisch isolierende Fläche 250 gewährleistet.
  • 10 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe 300 der Winkelmesseinrichtung. Die Rotorscheibe 300 umfasst eine Speicherelektrode 310, eine erste Winkelgeberelektrode 320 und eine zweite Winkelgeberelektrode 330. Die Speicherelektrode 310 ist mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 über eine erste elektrische Verbindung 360 elektrisch leiten verbunden. Die zweite Winkelgeberelektrode 330 ist über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 370 mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 verbunden.
  • Die Speicherelektrode 310 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Die Schwerpunkte der Winkelgeberelektroden 320 und 330 sind versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet.
  • Die Speicherelektrode 310, die Winkelgeberelektroden 320 und 330, und die elektrischen Verbindungen 360 und 370 sind aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt und sind auf einer elektrisch isolierenden Fläche 350 angeordnet. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Fläche 350 eine flexible Leiterplatte sein, auf die die elektrischen Strukturen die Speicherelektrode 310 und die Winkelgeberelektrode 320 und 330 und die elektrischen Verbindungen 360 und 370 gedruckt sind. Alternativ kann die Rotorscheibe aus einem starren Material gefertigt werden. An der Rotationsachse 340 kann eine Ausnehmung vorgesehen sein, um Beispielweise die Rotorscheibe 300 an einer Welle zu fixieren. Entsprechend der gezeigten Ausführungsform ist die Speicherelektrode 310 als Kreisring mit Radius R1 ausgebildet. Alternativ kann die Speicherelektrode auch als Kreisringsegment ausgebildet sein. Weiterhin hat die Speicherelektrode 310 den kleinsten Abstand zur Rotationsachse 340 und die Winkelgeberelektroden 320 und 330 haben größere Radien. Alternativ kann die Speicherelektrode 310 auch zwischen den Winkelgeberelektrode 320 und 330 angeordnet sein oder der Abstand zur Rotationsachse 340 kann größer sein als der Abstand der Winkelsensorelektrode 320 und 330 zur Rotationsachse 240.
  • Die erste Winkelgeberelektrode 320 bildet eine geschlossene Kurve um die Rotationsachse 340. Insbesondere ist die geschlossene Kurve ein Kreisring mit Radius R2, der moduliert ist mit einer periodischen Funktion P1. Wie in 10 gezeigt, ist der Kreisring in 5 Sektoren unterteilt. Die Grenzen eines Segments 321 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Innerhalb eines Segments 321 ist eine Funktion auf den Kreisring moduliert. Wie beispielsweise in 10 gezeigt, ist die zugrundeliegende Funktion eine Sinusschwingung. Somit ist gewährleistet, dass die Segmentgrenzen die geschlossene Kurve stetig und differenzierbar sind. Die Periode der Funktion P1, mit der der Kreisring moduliert ist, ist in dieser Ausführungsform 5. Dem Fachmann ist klar, dass die Periode jede natürliche Zahl L1 größer gleich 1 annehmen kann. Die beiden gestrichelten Linien, die das Segment 321 abgrenzen, sind jeweils an den Maximalwerten der Sinusschwingung angedeutet.
  • Der Schwerpunkt 380 der geschlossenen Kurve der ersten Winkelgeberelektrode 320 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Wie beispielsweise in 10 gezeigt, ist der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve im Bild oberhalb der Rotationsachse 340.
  • Die erste elektrische Verbindung 360 ist beispielsweise bei einem minimalen Abstand zwischen Speicherelektrode 310 und Winkelgeberelektrode 320 angeordnet. Dem Fachmann ist klar, dass auch weitere elektrische Verbindungen zwischen Speicherelektrode 310 und erster Winkelgeberelektrode 320 vorgesehen sein können.
  • Die zweite Winkelgeberelektrode 330 bildet, wie die erste Winkelgeberelektrode 320, eine geschlossene Kurve um die Rotationsachse 340. Die geschlossene Kurve der zweiten Winkelgeberelektrode 330 bildet einen Kreisring mit Radius R3, der moduliert ist mit einer periodischen Funktion P2. Der Radius R3 der zweiten Winkelgeberelektrode 330 ist größer als der Radius R2 der ersten Winkelgeberelektrode 320. Der Kreisring der zweiten Winkelgeberelektrode ist in sieben Sektoren unterteilt. Die Grenzen eines Segments 331 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Wie beispielsweise in 10 gezeigt, ist die zugrundeliegende Funktion der periodischen Funktion eine Sinusschwingung. Somit ist gewährleistet, dass an den Segmentgrenzen die geschlossene Kurve stetig und differenzierbar ist. Diese Periode der Funktion P2, mit der der Kreisring der zweiten Winkelgeberelektrode 330 moduliert ist, ist in dieser Ausführungsform sieben. Dem Fachmann ist klar, dass die Periode jede natürliche Zahl L2 größer gleich 1 annehmen kann. Vorteilhaft ist, wie später näher mit Bezug zu 12 beschrieben, wenn die natürlichen Zahlen L1 und L2 teilerfremd sind.
  • Der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve der zweiten Winkelgeberelektrode 330 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Insbesondere fällt der Schwerpunkt der zweiten Winkelgeberelektrode mit dem Schwerpunkt der ersten Winkelgeberelektrode zusammen. Wie beispielsweise in 10 gezeigt, ist der Schwerpunkt der geschlossenen Kurve im Bild oberhalb der Rotationsachse 340.
  • Die zweite elektrische Verbindung 370 ist beispielsweise bei einem minimalen Abstand zwischen der ersten Winkelgeberelektrode 320 der zweiten Winkelgeberelektrode 330 angeordnet. Dem Fachmann ist klar, dass auch weitere elektrische Verbindungen zwischen der ersten Winkelgeberelektrode 320 und der zweiten Winkelgeberelektrode 330 vorgesehen sein können.
  • 11 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 100, die eine Statorscheibe 200, wie in 9 gezeigt, und eine Rotorscheibe 300, wie in 10 gezeigt, umfasst. Insbesondere ist in 11 die Statorscheibe mit der Rotorscheibe überdeckt. Dadurch wird ein Speicherkondensator 110, ein erster Messkondensator 120 und ein zweiter Messkondensator 130 gebildet. Der Speicherkondensator 110, der erste Messkondensator 120 und der zweite Messkondensator 130 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 140 angeordnet.
  • Die Rotationsachse 140 liegt auf der Rotationsachse 240 und 340.
  • Der Speicherkondensator 110 wird geformt durch die Injektionselektrode, wie in 9 beschrieben, und die Speicherelektrode, wie in 10 beschrieben, die sich überdecken. Auch wenn in 11 nicht gezeigt, kann die Injektionselektrode mit einer Spannungsversorgung versehen ist. Insbesondere kann die Injektionselektrode auf der Rückseite der Statorscheibe eine Spannungsversorgung aufweisen.
  • Die Grenzen des ersten Messkondensators 120 sind durch die gestrichelten Linien 121 und 123 angedeutet. Der erste Messkondensator 120 wird geformt durch die erste Winkelsensorelektrode 220, wie in 9 beschrieben, und die erste Winkelgeberelektrode 320, wie in 10 beschrieben, die sich zumindest teilweise überdecken.
  • Eine Kondensatorplatte des Messkondensators wird durch die Vielzahl von N1 Messzellen der ersten Winkelsensorelektrode, wie in 9 beschrieben, geformt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die erste Winkelsensorelektrode N1=40 Messzellen. Die radialen Grenzen der Messzellen der ersten Winkelsensorelektrode sind durch die gestrichelten Linien 121, 122 und 123 angedeutet. Exemplarisch sind die Grenze zwischen zwei Messzellen, die auf einem Kreisring liegen, durch die durchgezogenen Linien 124 und 126 angedeutet.
  • Die gegenüberliegende Kondensatorplatte des ersten Messkondensators 120 wird durch die erste Winkelgeberelektrode, wie in 10 beschrieben, geformt. Die Grenzen der Winkelgeberelektrode sind durch die durchgezogene Linien 125 und 127 angezeigt.
  • Der erste Messkondensator 120 umfasst L=5 Messsegmente, wobei jedes Messsegment eine Vielzahl von M=8 Kondensatorelementen 1 bis 8 aufweiset. In 11 ist beispielsweise das Kondensatorsegment 128 angedeutet, dass durch die durchgezogene Linien 124, 125, 126 und 127 begrenzt wird. Das Kondensatorsegment 128 des ersten Messkondensators 120 umfasst je eines der Kondensatorelemente 1 bis 8.
  • Die Grenzen des zweiten Messkondensators 130 sind durch die gestrichelten Linien 131 und 133 angedeutet. Der zweite Messkondensator 130 wird geformt durch die zweite Winkelsensorelektrode 230, wie in 9 beschrieben, und die zweite Winkelgeberelektrode 330, wie in 10 beschrieben, die sich zumindest teilweise überdecken.
  • Eine Kondensatorplatte des Messkondensators wird durch die Vielzahl von N2 Messzellen der zweiten Winkelsensorelektrode, wie in 9 beschrieben, geformt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die zweite Winkelsensorelektrode N2=56 Messzellen. Die radialen Grenzen der Messzellen der zweiten Winkelsensorelektrode sind durch die gestrichelten Linien 131, 132 und 133 angedeutet. Exemplarisch sind Grenze zwischen 2 Messzellen, die auf einem Kreisring liegen, durch die durchgezogenen Linien 134 und 136 indiziert.
  • Die gegenüberliegende Kondensatorplatte des zweiten Messkondensators 130 wird durch die zweite Winkelgeberelektrode, wie in 10 beschrieben, geformt. Die Grenzen der Winkelgeberelektrode sind durch die durchgezogene Linien 135 und 137 angezeigt.
  • Der zweite Messkondensator 130 umfasst L=7 Messsegmenten, wobei jedes Messsegment eine Vielzahl von M=8 Kondensatorelementen 1 bis 8 aufweiset. In 11 wird beispielsweise eines der sieben Kondensatorsegment des zweiten Messkondensators durch die durchgezogene Linien 134, 135, 136 und 137 begrenzt. Dieses Kondensatorsegment des zweiten Messkondensators 130 umfasst, wie das Kondensatorsegment 128 des ersten Messkondensators 120, je eines der Kondensatorelemente 1 bis 8.
  • Entsprechend einer Ausführungsform sind gleiche Kondensatorelemente 1 bis 8 aller Kondensatorsegmente des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Außerdem sind gleiche Kondensatorelemente 1 bis 8 aller Kondensatorsegmente des zweiten Messkondensators 130 elektrisch verbunden. Entsprechend der Ausführungsform gezeigt in 11 sind also die fünf Kondensatorelemente mit der gleichen relativen Lage in jedem der der fünf Messsegment (beispielsweise alle Kondensatorelement mit der Nummer 1) des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden.
  • Am konkreten Beispiel aus 11 sind die fünf Kondensatorelemente mit dem Bezugsziechen 1 des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Zusätzlich sind die fünf Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 2 des ersten Messkondensators 120 elektrisch verbunden, usw. Ferner sind die sieben Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 1 des zweiten Messkondensators 120 elektrisch verbunden. Außerdem sind die sieben Kondensatorelemente mit dem Bezugszeichen 2 des zweiten Messkondensators 130 elektrisch verbunden, usw.
  • Wie in 11 gezeigt, haben gleich nummerierte Kondensatorelemente des ersten Messkondensators 120 gleiche Überdeckungsfläche. Außerdem haben gleich nummerierte Kondensatorelemente des zweiten Messkondensators 130 gleiche Überdeckungsflächen.
  • Es werden also die Kondensatorelemente eines Messkondensators elektrisch verbunden, die gleiche Überdeckungsfläche aufweisen. Da diese Elemente den gleichen theoretischen Messwert liefern, kann somit das Messsignal verstärkt werden. Außerdem können somit Fehler, beispielsweise verursacht durch eine ungenaue mechanische Ausrichtung des Stators zum Rotor, reduziert oder sogar vermieden werden. Außerdem können somit Fehler durch externe elektrische Felder, beispielsweise inhomogene elektrische Felder, reduziert oder sogar vermieden werden.
  • Im Folgenden wird eines der Messsegmente betrachtet, beispielsweise Messsegment 128. Insbesondere gelten die folgenden Betrachtungen für die Messsegmente des ersten Messkondensators 120 sowie für die Messsegmente des zweiten Messkondensators 130.
  • Jedes der Kondensatorelemente 1 bis 8 eines Kondensatorsegments ist mit einem Kapazitätssensor verbindbar. Über eine Messung der Spannung kann gefolgert werden, welche Kapazität jedes der Kondensatorelement 1 bis 8 aufweist. Insbesondere zeigt 11, dass die Überdeckungsfläche innerhalb eines Kondensatorsegments für jedes Kondensatorelement vom Winkel α (erster Messkondensator) oder β (zweiter Messkondensator) abhängen. Insbesondere erfolgt dies aus dem Zusammenspiel von Winkelgeberelektrode und Winkelsensorelektrode. Die zugrundeliegende Funktion, hier die Sinusschwingung, mit der der Kreisring der Winkelgeberelektrode moduliert ist, überdeckt einen Winkelbereich. Beispielsweise im Fall des ersten Messkondensators 360°/5= 72°. Jedes Messsegment bestehend aus 8 Messzellen überdeckt den gleichen Winkelbereich. Beispielsweise im Fall des ersten Messkondensators auch 360°/5= 72°.
  • In 11 ist der eine feste Rotorposition zur Statorposition gezeigt. In diesem Fall (eine erste Winkelstellung) sind die Überdeckungsfläche, und damit die Kapazität, der Kondensatorelemente 1 und 3 geringer als die Überdeckungsfläche, und damit die Kapazität, der Kondensatorelemente 5 und 7. Wenn sich die Rotorscheibe gegenüber der Statorscheibe dreht, ändern sich die Überdeckungsflächen und damit die Kapazität der Kondensatorelemente 1, 3, 5 und 7. Diese Kapazitätsänderung führt zu einer Spannungsänderung. Die gleichen Überlegungen gelten für die Kondensatorelemente 2,4, 6 und 8. Dem Fachmann ist klar, dass ein Segment nicht notwendigerweise aus 8 Kondensatorelementen bestehen muss.
  • Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die acht Kondensatoren eines Kondensatorsegments miteinander verschaltet. Dabei werden Messpaare, wie bereits mit Bezug zu 9 beschrieben, gebildet. Insbesondere werden die Kondensatorelemente, die gleiche Kapazitäten in Abhängigkeit vom Drehwinkel aufweisen, parallelgeschalte.
  • In dem Beispiel, das in 11 gezeigt ist, werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 1 und 6 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C16. Außerdem werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 2 und 5 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C25. Ferner werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 3 und 8 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C38. Schließlich werden die Kapazitäten der Kondensatorelemente 4 und 7 parallelgeschaltet und bilden die Kapazität C47.
  • Durch Bilden von Kondensatorpaaren, die jeweils radial versetzt zueinander sind, können Fehler vermieden werden und der Messung wird robuster. Diese Verbindung wird beispielsweise in 9 durch die Verbindung der Messzellen, die das zweite Paar von Messzellen 221 und 223 der ersten Winkelsensorelektrode oder das zweite Paar von Messzellen 231 und 233 der zweiten Winkelsensorelektrode, beschrieben.
  • Zusätzlich wird ein Signal durch den Vergleich der Differenzen der Spannungen von je zwei parallelgeschalteten Kondensatorpaaren detektiert. Anhand der Ausführungsform von parallelgeschalteten Kondensatorpaaren ergibt sich dann für das Signal, das von zwei Sensoren gemessen wird: A sin  α = V  C 16 − V  C25
    Figure DE102018220363A1_0001
    und A' cos  α = V  C38 − V  C47 ,
    Figure DE102018220363A1_0002
    wobei a der Winkel zwischen Rotor und Stator ist und A und A' die Amplituden der beiden Sensoren sind. Im Idealfall ist A=A'. Falls A nicht gleich A' ist, werden entsprechend einer Ausführungsform die Amplituden durch einen Korrekturmechanismus in der Datenverarbeitung so korrigiert, dass sie gleich sind und damit die Werte der beiden Sensoren vergleichbar sind.
  • Insbesondere ist diese Signalführung besonderes tolerant gegenüber Störeinstrahlungen. Somit können Fehler vermieden werden und der Messung wird robuster. Dem Fachmann ist klar, dass auch anders eine differentielle Messung der Signale möglich ist. Beispielsweise könnte entsprechend einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform das Signal durch den Vergleich der Differenzen der Spannungen von einem ersten Paar von Messzellen 221 und 222, wie in 9 beschrieben, detektiert werden.
  • 12 zeigt theoretische Werte für die Winkelbeziehung des Winkelsensors aus 11. Im oberen Graphen 400 ist die Signalstärke in Abhängigkeit von der mechanischen Drehposition des Rotors zum Stator.
  • Das Signal 402 ist nach Gleichung (1) für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Das zweite Signal 404 ist nach Gleichung (2) auch für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale die Periode P1=5 des ersten Messkondensators 120 aufweisen.
  • Weiterhin zeigt der obere Graph 400 die Signale 406 und 408, die analog zu den Signalen 402 und 404 für den zweiten Messkondensator 130 ermittelt werden. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale 406 und 408 die Periode P2=7 des zweiten Messkondensators 130 aufweisen.
  • Im unteren Graphen 410 sind eine erste abgeleitete Größe 412, nämlich der Arkustangens der Signale 402 und 404, und eine zweite abgeleitete Größe 414, nämlich der Arkustangens der Signale 406 und 408, abgebildet.
  • Somit kann durch geeignete Verschaltung der 8 Messzellen eines Messsegments der Winkel besonders robust gemessen werden. Weiterhin kann durch zwei unabhängige Messungen des Winkels, nämlich mit dem ersten Messkondensator und dem zweiten Messkondensator, der Winkel besonders genau bestimmt werden. Insbesondere wenn die Perioden P1 und P2 teilerfremd sind, kann der Winkel interpoliert werden und die Messgenauigkeit kann gesteigert werden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass durch weitere Messkondensatoren die Genauigkeit weiter gesteigert werden kann. Außerdem kann durch eine Erhöhung der Periode die Winkelauflösung gesteigert werden.
  • Allgemein wird die Ansteuer- und Auswerteelektronik, also die Spannungsversorgung und die Sensoren zum Messen des Winkels, am Stator angebracht. Alternativ kann die Elektronik aber auch am Rotor angebracht werden.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann ein Abschirmelement vorgesehen sein. Das Abschirmelement kann beispielsweise ein Gehäuse aus einem leitenden Material, wie Metall sein, in die die Winkelmesseinrichtung aufgenommen ist. Alternativ kann das Abschirmelement ein Gehäuseteil aus einem leitenden Material, wie Metall sein, in die der Rotor aufgenommen ist.
  • Dem Fachmann ist klar, dass die Winkelmessung auch ohne Interpolation absolut erfolgen kann. Ein Nullimpuls kann beispielsweise über die elektrische Verbindung 360 erfolgen.
  • Diese erste physikalische Technologie der kapazitiven Winkelmessung basiert auf dem Effekt, dass zwei Elektroden, eine davon kann die zu messende Oberfläche sein, die Platten eines elektrischen Kondensators bilden. Insbesondere wird eine Kapazität oder Kapazitätsänderung gemessen. Die Kapazität kann, wie im oben beschriebenen Beispiel dadurch beeinflusst werden, dass sich die wirksame Plattenfläche ändert, indem die Platten, wie bei einem Drehkondensator, gegeneinander verschoben werden.
  • Alternativ kann die physikalische Technologie der kapazitiven Winkelmessung auf dem Effekt basieren, dass eine Platte durch den zu messenden Effekt verschoben oder verformt wird, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändern. Entsprechend einer weiteren Alternative können die Platten starr sein und die Kapazität ändert sich, weil entweder elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in die unmittelbare Umgebung gebracht wird.
  • Magnetische Winkelmesseinrichtung
  • Im Folgenden wird eine zweite physikalische Technologie beschrieben, die für eine Winkelmesseinrichtung des Winkelmesssystems verwendet werden kann. Die physikalische Technologie basiert auf der Messung einer Modulation des Magnetfelds, wobei die Modulation sich in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ändert.
  • Entsprechend einer Ausführungsform trägt der Kodierer, der am Rotor ausgebildet ist, ein Muster, wobei das Muster durch einen magnetischen Sensor, der am Stator ausgebildet ist, abtastbar ist.
  • Der Sensor detektiert aufgrund des magnetoresistiven Effekts die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes. Zum magnetoresistiven Effekt gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt), der CMR-Effekt, der TMR-Effekt sowie der planare Hall-Effekt.
  • 13 zeigt eine magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 mit einem Sensor 3100, der beispielsweise auf Basis des AMR-Effekts die Modulationen des Magnetfelds detektiert. Darüber hinaus umfasst die magnetische Winkelmesseeinrichtung 3000 ein magnetisches Muster 3200. Insbesondere zeigt 13 das Funktionsprinzip eines auf den Polabstand eine magnetischen Musters 3200 abgestimmten AMR-Sensors.
  • Das magnetische Muster 3200, auch als magnetische Skala bezeichnet, umfasst zumindest einen magnetischen Südpol 3201 und einen magnetischen Nordpol 3202. Die von der magnetischen Skala 3200 erzeugten magnetischen Feldlinien sind gekennzeichnet durch Pfeile 3302 und die daraus resultierenden magnetischen Feldvektoren im Sensor sind durch Pfeile 3301 -3304 gekennzeichnet. Wird der Sensor entlang eines magnetischen Dipols (x 0 - x 1) bewegt, liefert das Sensorelement 3100 zwei Singalpfade, nämlich ein volles Sinus- und Cosinus-Ausgangssignal.
  • Ein Überlagerungsmagnet, der nicht in 13 gezeigt ist, stellt ein Hilfsfeld senkrecht zur magnetischen Skala 3200, also in y-Richtung, bereit. Dieses Hilfsfeld verbessert die Empfindlichkeit der Winkelmesseinrichtung 3000. Insbesondere führt das Hilfsfeld zu einer Empfindlichkeit der Winkelmesseinrichtung 3000 gegenüber Magnetfeldgradienten lediglich in x-Richtung.
  • Die Widerstandselemente 3101 bis 3304 sind benachbart im Sensor 3100 angeordnet. Insbesondere sind die Widerstandselemente 3101 bis 3304 parallel ausgerichtet und so angeordnet, dass zwei um 90° versetzte analoge Signale erzeugt werden, nämlich ein Sinus- und Cosinus-Ausgangssignal. Das sinusförmige Signal 3400 und das cosinusförmige Signal 3500 sind in 14 gezeigt.
  • Insbesondere ist die magnetische Skala 3200 so gestaltet sein, dass sie mit der Struktur der Widerstandselemente 3101 bis 3304 am Sensor 3100 zusammenpasst. Insbesondere stimmt die Polteilung überein. Der Abstand zwischen zwei gegensätzlichen Polen wird dabei als Polteilung bezeichnet. Gemessen wird dabei von Polmitte zu Polmitte. Der Abstand zwischen zwei Polen ist dabei gleich dem Abstand von zwei Widerstandselementen, die ein Signal erzeugen, also beispielsweise die Widerstandselemente 3101 und 3103. Eine nachfolgende Berechnung aus diesen beiden periodischen Signalen 3400 und 3500 führt zu einer linearen Positionsinformation.
  • 15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der zweiten Winkelmesseinrichtung 3000. Im Folgenden werden insbesondere die vorteilhafte Anpassung des Konzepts für den drehbaren Anwendungsfall beschrieben.
  • 15 zeigt eine Rotorscheibe 3600, die ein magnetisches Muster aufweist. Das magnetische Muster umfasst eine erste äußerere archimedische Spirale 3210 und eine zweite innere archimedischen Spirale 3220.
  • Jede archimedische Spirale weist ein magnetisches Muster auf. Jede archimedische Spirale weise eine Vielzahl von Segmenten auf, die gleichmäßig über den Radius verteilt sind. Somit minimieren diese Strukturen die Auswirkungen von einem exzentrisch gelagerten Rotor. Außerdem erhöht diese Anordnung die Einbautoleranzen.
  • Eine Skizze einer möglichen Realisierung unter Verwendung des oben genannten Nonius-Prinzips ist in 15 dargestellt. Die äußerere archimedische Spirale 3210 weist eine Segmentierung von n1=7 auf. Die innere archimedische Spirale 3220 weist eine Segmentierung von n2=5 auf. Insbesondere sind benachbarte Segmente einer archimedischen Spirale 3210 unterschiedlich gepolt. Beispielsweise umfasst die magnetische Skala 3210 der äußeren Spirale zumindest einen magnetischen Südpol 3211 und zumindest einen magnetischen Nordpol 3212.
  • Weiterhin zeigt 15 ein Statorelement 3700. Das Statorelement weist eine Platine 3702, beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte mit einer Auswerteeinheit, dem Microcontroller 3704, und zwei Überlagerungsmagneten 3706 auf. Die beiden Messwandler der Winkelmesseinrichtung, also die integrierten Schaltkreise der AMR-Sensoren, befinden sich unter den Überlagerungsmagneten 3706 auf der Unterseite der Leiterplatte und weisen in Richtung der magnetisch codierten Scheibe 3600.
  • Dem Fachmann ist klar, dass durch weitere archimedische Spiralen die Genauigkeit weiter gesteigert werden kann. Außerdem kann durch eine Erhöhung der Segmentierung jeder Spirale die Winkelauflösung gesteigert werden.
  • Allgemein wird die Auswerteelektronik, also die Sensoren zum Messen des Winkels, am Stator angebracht. Alternativ kann die Elektronik aber auch am Rotor angebracht werden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass die Winkelmessung auch ohne Interpolation absolut erfolgen kann. Insbesondere kann auch mit nur einer Spirale, also der Spirale 3210 oder 3220, ein Winkel gemessen werden. Ein Nullimpuls kann beispielsweise über einen nicht gezeigten zusätzlichen Magneten erfolgen.
  • Diese zweite physikalische Technologie der magnetischen Winkelmessung basiert auf dem Effekt, dass ein Rotor ein Muster trägt. Dieses Muster wird von einem Sensor gemessen. Zusätzlich oder alternativ kann das Muster auch optisch vermessen werden.
  • Induktive Winkelmesseinrichtung
  • Im Folgenden wird eine dritte physikalische Technologie beschrieben, die für eine Winkelmesseinrichtung des Winkelmesssystems verwendet werden kann. Die physikalische Technologie basiert auf der Messung einer induktiven Kopplung eines Transformators, wobei sich die Induktivität in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ändert. Insbesondere kann die dritte physikalische Technologie anstelle der ersten physikalischen Technologie verwendet werden.
  • Entsprechend einer Ausführungsform bildet eine Leiteranordnung eine Empfängerwicklung eines Transformators, wobei der Kodierer die induktive Kopplung des Transformators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert.
  • 16 zeigt das generelle Prinzip der induktiven Winkelmesseinrichtung 4000. Die induktive Winkelmessung basiert auf der Messung eines von einem Primärsender Tx erzeugten Magnetfelds, das von zwei Empfängerspulen Rx1 und Rx2 erfasst wird.
  • Beispielsweise wird die aus einem LC-Resonator bestehende Sendeschaltung Tx mit einem angesteuerten Sinussignal 4101 von ca. 1-5 MHz von einer integrierten Schaltung (IC) gespeist und induziert in der ersten Empfängerspule Rx1 ein erstes Spannungssignal 4111 und in der zweiten Empfängerspule Rx2 ein zweites Spannungssignal 4112. Ein leitfähiges Target 4200 im Nahfeld beeinflusst die Kopplung zwischen der primären Senderspule Tx und der sekundären Empfängerspulen Rx1 und Rx2.
  • Wie in 17 schematisch gezeigt, wertet der Messwandler 4300, hier ein integrierter Schaltkreis IC, die induzierte Spannung in beiden Sekundärspulen aus. 18 zeigt das positionsabhängige Ausgangssignal 4400, das vom Messwandler 4300 ausgegeben wird.
  • 19 zeigt eine Skizze einer induktiven Winkelmesseinrichtung 4500. Der Stator 4600 umfasst eine Leiterplatte. Die Leiterplatte weist eine runde Senderspule Tx sowie fächerförmige Empfängerspulen Rx auf. Sender- und Empfängerspulen werden durch Kupferspuren auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) realisiert. Weiterhin weist die Leiterplatte den Messwandler 4610 auf.
  • Der Rotor 4700 ist ein gestanztes Aluminiumteil mit vier Flügeln 4710, wobei die Flügel den Transformator teilweise abdecken und somit ein periodisches Signal mit 4 Segmenten erzeugen. Insbesondere dämpfen die Flügel lokal die induktive Kopplung zwischen Sender- und Empfängerspule.
  • 20 zeigt das resultierende Signal 4800, das vom Messwandler 4610 ausgegeben wird. Insbesondere zeigt sich, dass ein sägezahnförmiges Signal mit Periode 4. Dieses Signal kann, wie bereits oben mit Bezug auf 12 beschrieben, durch das Bilden des Arkustangens aus einem cosinusförmigen und einem sinusförmigen Signal erzeugt werden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass durch eine Erhöhung der Segmentierung jeder Spirale die Winkelauflösung gesteigert wird.
  • Allgemein wird die Ansteuer- und Auswerteelektronik, also die Spannungsversorgung für die Senderspule und die Sensoren zum Messen des Winkels, am Stator angebracht. Alternativ kann die Elektronik aber auch am Rotor angebracht werden.
  • Erste Ausführungsform für ein Winkelmesssystem
  • Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform für das Winkelmesssystem beschrieben mit einer ersten Winkelmesseinrichtung, die auf der ersten physikalischen Technologie basiert und einer zweiten Winkelmesseinrichtung, die auf der zweiten physikalischen Technologie basiert, wobei die zweite Technologie unterschiedlich zur ersten Technologie ist. Somit kann insbesondere die Ausfallsicherheit des Systems gesteigert werden.
  • Die erste Winkelmesseinrichtung basiert auf der oben beschriebenen kapazitiven Winkelmessung und die zweite Winkelmesseinrichtung basiert auf der oben beschriebenen magnetischen Winkelmesseinrichtung. Zur Straffung der Darstellung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obige Beschreibung dieser Bauteile verwiesen.
  • 21 zeigt eine schematische Ansicht einer Statorscheibe 5200 des ersten Winkelmesssystems. Die Statorscheibe 5200 umfasst die Injektionselektrode 210, die erste Winkelsensorelektrode 220 und den Sensor 3100. Die erste Winkelsensorelektrode 220 bildet dabei zumindest teilweise eine Leiteranordnung.
  • Die Injektionselektrode 210 und die erste Winkelsensorelektrode 220 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 240 angeordnet. Der Sensor ist exzentrisch zur Rotationsachse 240 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand des Sensors zur Rotationsachse größer als der Radius der ersten Winkelsensorelektrode. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann der Sensor auch die Winkelsensorelektrode überdecken oder innerhalb der Winkelsensorelektrode liegen.
  • 22 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe 5300 des ersten Winkelmesssystems. Die Rotorscheibe 5300 umfasst die Speicherelektrode 310 und die erste Winkelgeberelektrode 320. Die Speicherelektrode 310 ist mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 über die erste elektrische Verbindung 360 elektrisch leitend verbunden. Die Rotorscheibe 5300 umfasst weiterhin das magnetische Muster 3200. Insbesondere ist das magnetische Muster als archimedische Spirale ausgebildet. Die erste Winkelgeberelektrode 320 bildet dabei zumindest teilweise den ersten Kodierer. Das magnetische Muster 3200 bildet dabei zumindest teilweise den zweiten Kodierer.
  • Die Speicherelektrode 310 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Der Schwerpunkt der Winkelgeberelektrode 320 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Das magnetische Muster 3200 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand des magnetischen Musters zur Rotationsachse größer als der Radius der ersten Winkelsensorelektrode. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das magnetische Muster auch die Winkelgeberelektrode überdecken oder innerhalb der Winkelgeberelektrode liegen.
  • 23 zeigt das Winkelmesssystem 5000, das eine Statorscheibe 5200, wie in 21 gezeigt, und eine Rotorscheibe 5300, wie in 22 gezeigt, umfasst. Insbesondere ist in 23 die Statorscheibe mit der Rotorscheibe überdeckt. Dadurch wird der Speicherkondensator 110, der erste Messkondensator 120 und die magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 gebildet.
  • Die Rotationsachse 140 liegt auf der Rotationsachse 240 und 340
  • 24 zeigt eine schematische Ansicht der ersten Winkelmesseinrichtung 5100 des ersten Winkelmesssystems. Insbesondere bilden der Speicherkondensator 110 und der erste Messkondensator 120 die erste kapazitive Winkelmesseinrichtung 5100.
  • Entsprechend der in 23 gezeigten Ausführungsform sind die kapazitive Winkelmesseinrichtung 5100 und die magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 140 angeordnet. Insbesondere ist in der gezeigten Ausführungsform der Radius der magnetischen Winkelmesseinrichtung 3000 zur Rotationsachse 140 größer als der Radius der kapazitiven Winkelmesseinrichtung. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann die kapazitive Winkelmesseinrichtung auch die magnetische Winkelmesseinrichtung zumindest teileweise überdecken oder außerhalb der magnetischen Winkelmesseinrichtung liegen.
  • 25 zeigt theoretische Werte für die Winkelbeziehung des Winkelsensors aus 23. Im oberen Graphen 5400 ist die Signalstärke in Abhängigkeit von der mechanischen Drehposition des Rotors zum Stator.
  • Das Signal 402 ist nach Gleichung (1) für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Das zweite Signal 404 ist nach Gleichung (2) auch für den ersten Messkondensator 120 ermittelt. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale die Periode P1=5 des ersten Messkondensators 120 aufweisen.
  • Weiterhin zeigt der obere Graph 400 die Signale 5406 und 5408, die analog zu den Signalen 402 und 404 für die magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 ermittelt werden. Insbesondere zeigt sich, dass beide Signale 5406 und 5408 die Periode P2=7 aufweisen. Ein derartiges Signal könnte beispielsweise durch die äußerere archimedische Spirale 3210 erzeugt werden
  • Im unteren Graphen 5410 sind wie in 12 die erste abgeleitete Größe 412, nämlich der Arkustangens der Signale 402 und 404, und eine zweite abgeleitete Größe 5414, nämlich der Arkustangens der Signale 5406 und 5408, abgebildet.
  • Somit kann durch geeignete Verschaltung der 8 Messzellen eines Messsegments der Winkel besonders robust gemessen werden. Weiterhin kann durch zwei unabhängige Messungen des Winkels, nämlich mit dem ersten Messkondensator und der magnetischen Winkelmesseinrichtung, der Winkel besonders genau bestimmt werden. Insbesondere wenn die Perioden P1 und P2 teilerfremd sind, kann der Winkel interpoliert werden und die Messgenauigkeit kann gesteigert werden.
  • Weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführungsformen ergeben sich, wenn die oben beschriebene kapazitive Winkelmesseinrichtung mit der oben beschriebenen magnetischen Winkelmesseinrichtung kombiniert wird.
  • Beispielsweise kann entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform das Winkelmesssystem 5000 weiterhin den zweiten Messkondensator 130 umfassen, der zusammen mit dem Speicherkondensator 110 und dem ersten Messkondensator 120 die kapazitive Winkelmesseinrichtung 100 bildet. Die zweite Winkelsensorelektrode 130 des zweiten Messkondensators bildet dabei zumindest teilweise die Leiteranordnung.
  • Entsprechend einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann die magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 weiterhin eine zweite archimedische Spirale und einen zweiten Sensor umfassen. Außerdem kann die magnetische Winkelmesseinrichtung 3000 den Überlagerungsmagneten umfassen.
  • Zweite Ausführungsform für ein Winkelmesssystem
  • Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform für das Winkelmesssystem beschrieben mit einer ersten Winkelmesseinrichtung, die auf der ersten physikalischen Technologie basiert und einer zweiten Winkelmesseinrichtung, die auf der dritten physikalischen Technologie basiert, wobei die dritte Technologie unterschiedlich zur ersten Technologie ist. Somit kann insbesondere die Ausfallsicherheit des Systems gesteigert werden.
  • Wie bei der ersten Ausführungsform für das Winkelmesssystem basiert die erste Winkelmesseinrichtung auf der oben beschriebenen kapazitiven Winkelmessung. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform für das Winkelmesssystem basiert die zweite Winkelmesseinrichtung auf der oben beschriebenen induktiven Winkelmesseinrichtung. Zur Straffung der Darstellung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obige Beschreibung dieser Bauteile verwiesen.
  • 26 zeigt eine schematische Ansicht einer Statorscheibe 6200 des zweiten Winkelmesssystems. Die Statorscheibe 6200 umfasst die Injektionselektrode 210, die erste Winkelsensorelektrode 220, die Senderspule Tx, die erste Empfängerspule Rx1 und die zweite Empfängerspule Rx2. Die erste Winkelsensorelektrode 220 bildet dabei zumindest teilweise eine erste Leiteranordnung und die Empfängerspulen Rx1 und Rx2 bilden eine zweite Leiteranordnung.
  • Die Injektionselektrode 210, die erste Winkelsensorelektrode 220, die Senderspule Tx, die erste Empfängerspule Rx1 und die zweite Empfängerspule Rx2 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 240 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand der Empfängerspulen zur Rotationsachse größer als der Radius der ersten Winkelsensorelektrode. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform können die Empfängerspulen auch innerhalb der Winkelsensorelektrode liegen.
  • 27 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe 6300 des ersten Winkelmesssystems. Die Rotorscheibe 6300 umfasst die Speicherelektrode 310 und die erste Winkelgeberelektrode 320. Die Speicherelektrode 310 ist mit der ersten Winkelgeberelektrode 320 über die erste elektrische Verbindung 360 elektrisch leitend verbunden. Die Rotorscheibe 6300 umfasst weiterhin das Target 4200. Insbesondere ist das Target als ein Segment ausgebildet. Die erste Winkelgeberelektrode 320 bildet dabei zumindest teilweise den ersten Kodierer. Das Target 4200 bildet dabei zumindest teilweise den zweiten Kodierer.
  • Die Speicherelektrode 310 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Der Schwerpunkt der Winkelgeberelektrode 320 ist versetzt zur Rotationsachse 340 angeordnet. Das Target ist als Kreissegment rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand des Targets zur Rotationsachse größer als der Radius der ersten Winkelsensorelektrode. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das Target innerhalb der Winkelgeberelektrode liegen.
  • 28 zeigt das Winkelmesssystem 6000 entsprechend der zweiten Ausführungsform, das eine Statorscheibe 6200, wie in 26 gezeigt, und eine Rotorscheibe 6300, wie in 27 gezeigt, umfasst. Insbesondere ist in 28 die Statorscheibe mit der Rotorscheibe überdeckt. Dadurch wird der Speicherkondensator 110, der erster Messkondensator 120 und die induktive Winkelmesseinrichtung 4000 gebildet. Insbesondere bilden der Speicherkondensator 110 und der erster Messkondensator 120 die erste kapazitive Winkelmesseinrichtung 5100.
  • Die Rotationsachse 140 liegt auf der Rotationsachse 240 und 340.
  • Entsprechend der in 27 gezeigten Ausführungsform sind die kapazitive Winkelmesseinrichtung 5100 und die induktive Winkelmesseinrichtung 4000 rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 140 angeordnet. Insbesondere ist in der gezeigten Ausführungsform der Radius der induktiven Winkelmesseinrichtung 4000 zur Rotationsachse 140 größer als der Radius der kapazitiven Winkelmesseinrichtung. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann die kapazitive Winkelmesseinrichtung auch außerhalb der magnetischen Winkelmesseinrichtung liegen.
  • Weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführungsformen für das Winkelmesssystem der zweiten Ausführungsform ergeben sich, wenn die oben beschriebene kapazitive Winkelmesseinrichtung mit der oben beschriebenen induktiven Winkelmesseinrichtung kombiniert wird.
  • Beispielsweise kann entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform das Winkelmesssystem 6000 weiterhin den zweiten Messkondensator 130 umfassen, der zusammen mit dem Speicherkondensator 110 und dem ersten Messkondensator 120 die kapazitive Winkelmesseinrichtung 100 bildet. Die zweite Winkelsensorelektrode 130 des zweiten Messkondensators bildet dabei zumindest teilweise die erste Leiteranordnung.
  • Entsprechend einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform kann die induktive Winkelmesseinrichtung 4000 anstatt eines Targets eine Vielzahl von Kreisringsegmenten aufweisen, wie beispielsweise die Rotorscheibe mit vier Flügeln 4700.
  • Dritte Ausführungsform für ein Winkelmesssystem
  • Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform für das Winkelmesssystem beschrieben mit einer ersten Winkelmesseinrichtung, die auf der zweiten physikalischen Technologie basiert, und einer zweiten Winkelmesseinrichtung, die auf der dritten physikalischen Technologie basiert, wobei die dritte Technologie unterschiedlich zur zweiten Technologie ist. Somit kann insbesondere die Ausfallsicherheit des Systems gesteigert werden.
  • Die dritte Ausführungsform für das Winkelmesssystem ist ähnlich der ersten Ausführungsform. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform bildet die Leiteranordnung eine Spule eines Transformators und der erste Kodierer verändert die induktive Kopplung des Transformators in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator.
  • Die erste Winkelmesseinrichtung des dritten Winkelmesssystems basiert auf der oben beschriebenen induktiven Winkelmessung, insbesondere basiert es auf der induktiven Winkelmessung des zweiten Winkelmesssystems. Die zweite Winkelmesseinrichtung des dritten Winkelmesssystems basiert auf der oben beschriebenen magnetischen Winkelmessung, insbesondere basiert es auf der magnetischen Winkelmessung des ersten Winkelmesssystems. Zur Straffung der Darstellung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obige Beschreibung dieser Bauteile verwiesen.
  • 29 zeigt eine schematische Ansicht einer Statorscheibe 7200 des dritten Winkelmesssystems. Die Statorscheibe 7200 umfasst den Sensor 3100, die Senderspule Tx, die erste Empfängerspule Rx1 und die zweite Empfängerspule Rx2. Die Empfängerspulen Rx1 und Rx2 bilden dabei zumindest teilweise eine Leiteranordnung.
  • Die Senderspule Tx, die erste Empfängerspule Rx1 und die zweite Empfängerspule Rx2 sind rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 240 angeordnet. Der Sensor ist exzentrisch zur Rotationsachse 240 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand des Sensors zur Rotationsachse kleiner als der Radius der Empfängerspulen Rx1 und Rx2. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann der Sensor auch die Empfängerspulen Rx1 und Rx2 überdecken oder außerhalb der Empfängerspulen Rx1 und Rx2 liegen.
  • 30 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorscheibe 7300 des dritten Winkelmesssystems. Die Rotorscheibe 7300 umfasst das Target 4200. Insbesondere ist das Target als ein Segment ausgebildet. Das Target 4200 bildet dabei zumindest teilweise den ersten Kodierer. Die Rotorscheibe 7300 umfasst weiterhin das magnetische Muster 3200. Insbesondere ist das magnetische Muster als archimedische Spirale ausgebildet. Das Target 4200 bildet dabei zumindest teilweise den ersten Kodierer. Das magnetische Muster 3200 bildet dabei zumindest teilweise den zweiten Kodierer.
  • Das Target 4200 ist als Kreissegment rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Das magnetische Muster 3200 ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 340 angeordnet. Insbesondere ist bei der gezeigten Ausführungsform der Abstand des Targets 4200 zur Rotationsachse größer als der Radius des magnetischen Musters. Entsprechend einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das magnetische Muster auch innerhalb des magnetischen Musters liegen.
  • 31 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Rotorscheibe 7300 für das dritte Winkelmesssystem. Die Rotorscheibe 7300 umfasst einen ersten Kodierter mit n1 = 5 Targets 4200, die durch leitenden Bereiche gebildet werden. Weiterhin umfasst die Rotorscheibe 7300 das magnetische Muster 3200, das durch magnetische Archimedes-Spiralen gebildet wird, wobei das magnetische Muster eine Segmentierung von n2 = 7 aufweist.
  • Die gezeigte Überdeckung spart Bauraum, insbesondere wird die radiale Ausdehnung des Winkelmesssystems reduziert. In der gezeigten dritten Ausführungsform ist eine Überdeckung insbesondere deshalb möglich, da die Winkelmessung mit der magnetischen Winkelmesseinrichtung und die Winkelmessung mit der induktiven Winkelmesseinrichtung entkoppelt werden können. Insbesondere beeinflusst das magnetische Feld erzeugt durch das magnetische Muster 3200 nicht (oder zumindest nicht signifikant oder zumindest in berechenbar Weise) die Störung der Kopplung des Transformators durch die Vielzahl von Targets 4200. Selbiges gilt für das Winkelmesssystem der ersten Ausführungsform.
  • 32 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Statorscheibe 7200 für das dritte Winkelmesssystem. Die Statorscheibe 7200 vereint ein induktives Sensorelement und einen Sensor 3100, insbesondere einen AMR-Sensor, in einem Sensorkonzept.
  • Das induktive Sensorelement, also der Transformator mit der Senderspule Tx, der ersten Empfängerspule Rx1 und der zweiten Empfängerspule Rx2, ist als Kreisringsegment ausgebildet. Insbesondere bildet die Senderspule Tx den Rand des Kreisringsegments und die erste Empfängerspule Rx1 und die zweite Empfängerspule Rx2 liegen innerhalb der Senderspule. Die Anordnung der ersten Empfängerspule Rx1 und der zweite Empfängerspule Rx2 innerhalb eines Kreisringsegments spart Bauraum, insbesondere wird die azimutale Ausdehnung des Winkelmesssystems reduziert. Selbiges gilt für das Winkelmesssystem der ersten Ausführungsform.
  • Der Sensor 3100 liegt auf dem Kreisring, der das Kreisringsegment der Leiteranordnung des induktiven Sensorelements umfasst, und überdeckt einen Winkelbereich, der sich vom Winkelbereich der Leiteranordnung des induktiven Sensorelements unterscheidet. Somit kann eine mögliche störende Beeinflussung der Sensorelemente reduziert werden.
  • Die sichelförmige Statorscheibe 7200 kombiniert einen ersten Sensor, der mit der Leiteranordnung verbunden ist und das erste Signal misst, und einen zweiten Sensor, der basierend auf einer Messung des magnetischen Musters ein zweites Signal erzeugt in einem Sensorbauteil. Beide Technologien haben im Betrieb den gleichen virtuellen Radius, der die kompakte Bauweise ermöglicht.
  • Insbesondere können die beide Sensoren besonders platzsparend und kostengünstig auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angeordnet werden.
  • Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform kann, wie oben beschrieben, auch die kapazitive Winkelmesseinrichtung als Kreisringsegment ausgeführt werden. Insbesondere kann die Leiteranordnung, also das induktive Sensorelement, durch eine Winkelsensorelektrode oder eine Vielzahl von Winkelsensorelektroden, die in einem Kreisringsegment angeordnet sind, ersetzt werden.
  • 33 zeigt ein isolierendes Gehäuse 8000 für die Statorscheibe. Insbesondere besteht das Gehäuse 8000 aus einem wärmeisolierenden Material. Durch das Gehäuse kann die Genauigkeit der Winkelmessung erhöht werden, da insbesondere thermische und elektrische Effekte, die die Winkelmessung beeinflussen, reduziert werden können. Beispielsweise kann die Statorscheibe überspritzt werden oder das Gehäuse kann im Spritzgussverfahren gefertigt werden, was besonders vorteilhaft für die thermische Isolierung ist. Außerdem kann das Gehäuse Ausnehmungen 8002 für Federkontaktstifte bereitstellen, die für die Prüfung von Leiterplatten, elektronischen Baugruppen, Bauteilen wie Steckverbindern und anderen Komponenten des Winkelmesssystems verwendet werden können.
  • Auch wenn in den Figuren nicht gezeigt, kann das Gehäuse für jedes oben beschriebene Winkelmesssystem vorgesehen sein.
  • Weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführungsformen für das Winkelmesssystem der dritten Ausführungsform ergeben sich, wenn die oben beschriebene induktive Winkelmesseinrichtung mit der oben beschriebenen magnetischen Winkelmesseinrichtung kombiniert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1000
    Winkelmesssystem
    1100
    erstes Messmittel
    1200
    zweites Messmittel
    1300
    Auswerteeinheit
    2000
    überlagerter Kodierer
    2100
    erster Kodierer
    2101, 2102
    Segment des ersten Kodierers
    2200
    zweiter Kodierer
    2201 bis 2103
    Segment des zweiten Kodierers
    100
    kapazitive Winkelmesseinrichtung
    110
    Speicherkondensator
    120
    erste Messkondensator
    121, 123
    Grenze des ersten Messkondensator
    122, 124, 126
    Grenzen zwischen Messzellen des ersten Messkondensator
    125, 127
    Grenzen der Winkelgeberelektrode des ersten Messkondensator
    128
    Kondensatorsegment
    130
    zweite Messkondensator
    131, 133
    Grenze des zweiten Messkondensator
    132, 134, 136
    Grenzen zwischen Messzellen des zweiten Messkondensator
    135, 137
    Grenzen der Winkelgeberelektrode des zweiten Messkondensator
    200
    Statorscheibe
    210
    Injektionselektrode
    220
    erste Winkelsensorelektrode
    221 - 223
    Messzellen
    230
    zweite Winkelsensorelektrode
    231 - 234
    Messzellen
    140, 240, 340
    Rotationsachse
    250, 350
    Elektrisch isolierende Fläche
    300
    Rotorscheibe
    310
    Speicherelektrode
    320
    erste Winkelgeberelektrode
    321
    Segment der ersten Winkelgeberelektrode
    330
    zweite Winkelgeberelektrode
    331
    Segment der zweiten Winkelgeberelektrode
    360
    erste elektrische Verbindung
    370
    zweite elektrisch leitende Verbindung
    400, 410, 5400, 5410
    Graphen
    402, 404, 406, 408, 5406, 5408
    Messsignal
    412, 414, 5414
    Abgeleitete Größe
    3000
    magnetische Winkelmesseinrichtung
    3100
    Sensor
    3101 bis 3104
    Widerstandselemente
    3200
    magnetisches Muster
    3201, 3211
    Südpol
    3202,3212
    Nordpol
    3203
    magnetische Feldlinien
    3210, 3220
    archimedische Spiralen
    3301 bis 3304
    magnetische Feldvektoren
    3400
    sinusförmige Signal
    3500
    cosinusförmige Signal
    3600
    Rotorscheibe
    3700
    Statorelement
    3702
    Platine
    3704
    Auswerteeinheit
    3706
    Überlagerungsmagnet
    4000, 4500
    induktiven Winkelmesseinrichtung
    Tx
    Sendeschaltung
    4101
    angesteuertes Sinussignal
    Rx1, Rx2
    Empfängerspulen
    4111, 4112
    Spannungssignal
    4200
    Target
    4300, 4610
    Messwandler
    4400,4800
    Ausgangssignal
    4600
    Stator
    4700
    Rotor
    4710
    Flügeln
    5000, 6000, 7000
    Winkelmesssystem
    5100,
    Winkelmesseinrichtung
    5200, 6200, 7200
    Statorscheibe
    5300, 6300, 7300
    Rotorscheibe
    8000
    Gehäuse
    8002
    Ausnehmungen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10216376 A1 [0002]
    • DE 102010021367 A1 [0007]
    • DE 19738841 A1 [0009]

Claims (15)

  1. Winkelmesssystem (1000) zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse (140) zum Stator angeordnet ist, das Winkelmesssystem umfassend: eine erste Winkelmesseinrichtung (1100) mit einem ersten Kodierer (2100), der am Rotor ausgebildet ist, und einer Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2), die am Stator ausgebildet ist, wobei der erste Kodierer (2100) und die Leiteranordnung ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugen, und ein erster Sensor, der mit der Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2), verbunden ist und das erste Signal misst; eine zweite Winkelmesseinrichtung (1200) mit einem zweiten Kodierer (2200), der am Rotor ausgebildet ist und ein Muster trägt, wobei das Muster vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, und einem zweiten Sensor (3100), der basierend auf einer Messung des Musters ein zweites Signal erzeugt; und eine Auswerteeinheit (1300), die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.
  2. Winkelmesssystem nach Anspruch 1, wobei erste Sensor und der zweite Sensor (3100) auf einer Statorscheibe (5200, 7200) angeordnet sind; der erste Kodierer (2100) und der zweite Kodierer (2200) auf einer Rotorscheibe (5300, 5700) angeordnet sind; und wobei die Rotorscheibe (5300, 7300) und die Statorscheibe (5200, 7200) auf einer Welle drehbar um die Rotationsachse (140) angeordnet sind und die Rotorscheibe (5300, 7300) und die Statorscheibe (5200, 7200) in Richtung der Rotationsachse versetzt sind.
  3. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das erste Signal von der Überdeckungsfläche des ersten Kodierers (2100) und der Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2) abhängt.
  4. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Kodierer (2100) und der zweite Kodierer (2200) innerhalb eines Kreisrings um die Rotationsachse angeordnet sind.
  5. Winkelmesssystem nach der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Kodierer (2100) und der zweite Kodierer (2200) sich zumindest teilweise überlappen.
  6. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2) innerhalb eines Kreisringsegments angeordnet ist.
  7. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der ersten Kodierer (2100) und die Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2) ein periodisches Signal der Periode P1 erzeugen und der zweite Kodierer (2200) ein periodisches Muster der Periode P2 trägt.
  8. Winkelmesssystem nach Anspruch 7, wobei die Periode P1 und P2 teilerfremd sind.
  9. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Muster durch einen magnetischen Sensor (3100) abtastbar ist.
  10. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Leiteranordnung eine Spule (Rx1, Rx2) formt oder eine Kondensatorplatte (220) bildet.
  11. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Kodierer (320) und die Leiteranordnung (220) einen Messkondensator (5100) zwischen dem Rotor und dem Stator bilden, wobei sich die Kapazität des Messkondensators (5100) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert.
  12. Winkelmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leiteranordnung eine Spule (Rx1, Rx2) eines Transformators (Tx, Rx1, Rx2) bildet und der erste Kodierer (4200) die induktive Kopplung des Transformators (Tx, Rx1, Rx2) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert.
  13. Winkelmesssystem (1000) zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse zum Stator angeordnet ist, das Winkelmesssystem umfassend: eine erste Winkelmesseinrichtung (1100) mit einem ersten Kodierer (320), der am Rotor ausgebildet ist, und einer ersten Leiteranordnung (220), die am Stator ausgebildet ist, wobei der erste Kodierer (320) und die erste Leiteranordnung (220) ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges erstes Signal erzeugen, wobei der erste Kodierer (320) und die erste Leiteranordnung (220) einen Messkondensator (5100) zwischen dem Rotor und dem Stator bilden, wobei sich die Kapazität des Messkondensators (5100) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert, und ein erster Sensor, der mit der ersten Leiteranordnung (220) verbunden ist und das erste Signal misst, eine zweite Winkelmesseinrichtung (1200) mit einem zweiten Sensor der ein zweites Signal unabhängig vom ersten Signal misst, eine Auswerteeinheit (1300), die basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt.
  14. Winkelmesssystem nach Anspruch 13, wobei die zweite Winkelmesseinrichtung (1200) weiterhin umfasst: einen zweiten Kodierer (4200), der am Rotor ausgebildet ist, und einer zweiten Leiteranordnung (Rx1, Rx2), die am Stator ausgebildet ist, wobei der zweite Kodierer (4200) und die zweite Leiteranordnung (Rx1, Rx2), ein vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängiges zweites Signal erzeugen, wobei die zweite Leiteranordnung (Rx1, Rx2) eine Spule eines Transformators (Tx, Rx1, Rx2) bildet und der zweite Kodierer (4200) die induktive Kopplung des Transformators (Tx, Rx1, Rx2) in Abhängigkeit vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator verändert, und der zweite Sensor mit der zweiten Leiteranordnung (Rx1, Rx2) verbunden ist.
  15. Verfahren zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse (140) zum Stator angeordnet ist, das Verfahren die Schritte umfassend: Erzeugen eines vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängigen ersten Signals mittels eines ersten Kodierers (2100) und einer Leiteranordnung (220, Rx1, Rx2), Erzeugen eines zweiten Signals basierend auf einer Messung des Musters (3200) auf einem zweiten Kodierer (2200) das vom Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt, Ermitteln des Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal.
DE102018220363.6A 2018-11-27 2018-11-27 Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator Pending DE102018220363A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018220363.6A DE102018220363A1 (de) 2018-11-27 2018-11-27 Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018220363.6A DE102018220363A1 (de) 2018-11-27 2018-11-27 Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018220363A1 true DE102018220363A1 (de) 2020-05-28

Family

ID=70545794

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018220363.6A Pending DE102018220363A1 (de) 2018-11-27 2018-11-27 Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018220363A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023198477A1 (de) * 2022-04-11 2023-10-19 HELLA GmbH & Co. KGaA Verfahren zum erkennen einer rotorposition eines rotorelementes, computerprogrammprodukt sowie sensorvorrichtung

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19738841A1 (de) 1997-09-05 1999-03-11 Hella Kg Hueck & Co Induktiver Winkelsensor
DE10216376A1 (de) 2002-04-12 2003-10-30 Stegmann Gmbh & Co Kg Drehwinkel-Messsystem
US20050270040A1 (en) * 2004-02-17 2005-12-08 Stridsberg Innovation Ab Redundant compact encoders
DE102007007764A1 (de) * 2007-02-16 2008-08-21 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Drehgeber und Verfahren zu dessen Betrieb
US20100079154A1 (en) * 2006-11-30 2010-04-01 Maxon Motor Ag Capacitive angle encoder and withdrawable feeder for circuit board component insertion machines
DE102010021367A1 (de) 2010-05-25 2011-12-01 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Optische Winkelmesseinrichtung
WO2018120335A1 (zh) * 2016-12-26 2018-07-05 清华大学 一种绝对式电容角位移测量传感器
JP6417287B2 (ja) * 2015-06-19 2018-11-07 アルプス電気株式会社 入力装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19738841A1 (de) 1997-09-05 1999-03-11 Hella Kg Hueck & Co Induktiver Winkelsensor
DE10216376A1 (de) 2002-04-12 2003-10-30 Stegmann Gmbh & Co Kg Drehwinkel-Messsystem
US20050270040A1 (en) * 2004-02-17 2005-12-08 Stridsberg Innovation Ab Redundant compact encoders
US20100079154A1 (en) * 2006-11-30 2010-04-01 Maxon Motor Ag Capacitive angle encoder and withdrawable feeder for circuit board component insertion machines
DE102007007764A1 (de) * 2007-02-16 2008-08-21 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Drehgeber und Verfahren zu dessen Betrieb
DE102010021367A1 (de) 2010-05-25 2011-12-01 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Optische Winkelmesseinrichtung
JP6417287B2 (ja) * 2015-06-19 2018-11-07 アルプス電気株式会社 入力装置
WO2018120335A1 (zh) * 2016-12-26 2018-07-05 清华大学 一种绝对式电容角位移测量传感器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023198477A1 (de) * 2022-04-11 2023-10-19 HELLA GmbH & Co. KGaA Verfahren zum erkennen einer rotorposition eines rotorelementes, computerprogrammprodukt sowie sensorvorrichtung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3642567B1 (de) Drehwinkelsensor
DE102011080679B4 (de) Drehfeldsensor
EP1049908B1 (de) Anordnung zur drehwinkelerfassung eines drehbaren elements
DE69938221T2 (de) Positionssensor
DE10158223B4 (de) Drehwinkel-Messgerät
DE102019106327B4 (de) Drehungsanzahl-decodierung für multiturn-sensoren
DE102018101441A1 (de) Magnetsensor-Positionsmessung mit Phasenkompensation
EP3495781B1 (de) Induktive positionsmesseinrichtung
DE102007037217B4 (de) Induktive Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der relativen Drehposition zwischen zwei Körpern mit diametral angeordneten Spulen
WO2013127962A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur redundanten, absoluten positionsbestimmung eines beweglichen körpers
DE102017113861A1 (de) Winkelsensor und Winkelsensorsystem
EP3601955B1 (de) Störfeldkompensierte winkelsensorvorrichtung und verfahren zur störfeldkompensierten winkelbestimmung
DE102009031664A1 (de) Kapazitiver Drehwinkelsensor
DE102008017857A1 (de) Induktiver Drehwinkelsensor und Verfahren zum Betrieb eines induktiven Drehwinkelsensors
EP3091339B1 (de) Nichtflüchtiger drehsensor mit einer spiralspur
DE102008046741A1 (de) Induktiver Positionssensor, damit ausgestattetes Messsystem und Verfahren zum Betrieb eines Positionssensors
DE102018113379A1 (de) Drehwinkelerfassungseinrichtung, Drehwinkelerfassungsanordnung, Leistungserfassungsvorrichtung und Verfahren zur Drehwinkelerfassung
DE102017119668A1 (de) Winkelsensor und Winkelsensorsystem
WO2020030322A1 (de) Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements
DE102019119664A1 (de) Abtasten eines Drehwinkels
DE4141000A1 (de) Anordnung und verfahren zur messung von distanzen oder drehwinkeln
SE516952C2 (sv) Vinkelgivare
DE102018220363A1 (de) Winkelmesssystem zur Bestimmung eines Winkels zwischen einem Rotor und einem gegenüberliegenden Stator
WO2019149669A1 (de) Induktiver winkelsensor für eine kraftfahrzeuglenkung
EP3833936B1 (de) Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication