DE102019102152A1

DE102019102152A1 - Magnetfelddrehmoment- und/oder winkelsensor

Info

Publication number: DE102019102152A1
Application number: DE102019102152.9A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmitt; Enda Joseph Nicholl
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2019-08-08
Also published as: US11248971B2; US20190242764A1

Abstract

Aspekte dieser Offenbarung betreffen ein Magnetsensorsystem zum Messen irgendeiner gewünschten Kombination aus Messen eines Drehmoments, eines Drehwinkels und einer Anzahl von Umdrehungen einer Welle. Die Welle kann zwei durch ein Torsionselement verbundene Teile aufweisen. Das System kann unter Verwendung eines mit der Welle gekoppelten magnetischen Ziels, das ein als Funktion eines Drehwinkels variierendes Magnetfeld erzeugt, einen Drehwinkel messen. Das System kann durch Messen der Differenz von Drehwinkeln zwischen den beiden Teilen der Welle und unter Berücksichtigung eines Torsionskoeffizienten ein an die Welle angelegtes Drehmoment messen. Das System kann eine Anzahl von Umdrehungen der Welle unter Verwendung eines Multiturn-Sensors verfolgen. Das Magnetsensorsystem kann Teil eines elektrischen Servolenksystems (EPAS-Systems) sein.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil unter 35, US-Code § 119(e) der am 2. Februar 2018 eingereichten US Provisional Patent Application Nr. 62/625,912 mit dem Titel „MAGNETIC FIELD TORQUE SENSOR“, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Die beschriebene Technologie betrifft das Messen eines Drehmoments unter Verwendung eines Magnetsensors.
HINTERGRUND
Ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments in einem Antriebswellensystem kann Einführen eines Torsionsstabs, der dazu konzipiert ist, sich innerhalb seiner Elastizitätsgrenzen zu verdrehen, wenn Drehmoment angelegt wird, aufweisen. Der relative Verdrehwinkel über die Welle kann dann gemessen werden und davon das Drehmoment abgeleitet werden. Zusätzlich zu dem Messen von Drehmoment wünschen einige Antriebssysteme auch das Messen des Wellendrehwinkels und/oder der Wellendrehzahl zusammen mit der Zählung der Anzahl von Wellendrehungen.
Es kann schwierig sein, bei kontinuierlicher Drehung der Welle das Wellendrehmoment, den Winkel und die Anzahl von Umdrehungen zu messen, ohne die Welle zu berühren. Einige Lösungen weisen entweder eine direkte elektrische Verbindung zwischen einem auf der Welle positionierten Winkelsensor über einen Schleifring oder eine Wickelfederanordnung auf. Einige andere Lösungen haben eine begrenzte Genauigkeit erreicht, sind komplexer Beschaffenheit und/oder nehmen eine relativ große physische Fläche ein.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die in den Ansprüchen beschriebenen Neuerungen weisen jeweils mehrere Aspekte auf, von denen kein einziger allein für ihre wünschenswerten Attribute verantwortlich ist. Ohne den Schutzumfang der Ansprüche zu beschränken, werden nunmehr einige hervorstechende Merkmale der vorliegenden Offenbarung kurz beschrieben.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetisches Drehmomentsensorsystem, das mindestens einen Bias-Magneten, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Magnetfeld zu erzeugen, Magnetsensoren und eine mit den Magnetsensoren in Verbindung stehende Verarbeitungsschaltung aufweist. Die Magnetsensoren weisen einen ersten Magnetsensor, der für durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, und einen zweiten Magnetsensor, der für durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, auf. Die Verarbeitungsschaltung ist dazu ausgebildet, eine Drehung des ersten magnetischen Ziels bezüglich des zweiten magnetischen Ziels basierend auf einer Ausgabe von dem ersten Magnetsensor und einer Ausgabe von dem zweiten Magnetsensor zu messen. Die Verarbeitungsschaltung ist dazu ausgebildet, Drehmomentinformationen, die mit einer Höhe eines an eine Welle angelegten Drehmoments verbunden sind, basierend auf der gemessenen Drehung des ersten magnetischen Ziels bezüglich des zweiten magnetischen Ziels zu erzeugen.
Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel aufweisen. Das erste magnetische Ziel kann ein erstes Zahnrad aufweisen, und das zweite magnetische Ziel kann ein zweites Zahnrad, das die gleiche Anzahl von Zähnen wie das erste Zahnrad hat, aufweisen. Das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel können die gleiche Anzahl von magnetischen Strukturen aufweisen. Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann eine Welle aufweisen, die einen mit dem ersten magnetischen Ziel gekoppelten ersten Wellenteil und einen mit dem zweiten magnetischen Ziel gekoppelten zweiten Wellenteil aufweist, wobei der erste Wellenteil und der zweite Wellenteil dazu ausgebildet sind, sich bezüglich einander zu drehen. Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann ein Torsionselement aufweisen, das zum Koppeln des ersten Wellenteils mit dem zweiten Wellenteil angeordnet ist, wobei das Torsionselement dazu ausgebildet ist, sich in einem Ausmaß zu verdrehen, das von der Höhe des an die Welle angelegten Drehmoments abhängig ist.
Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann einen dritten Magnetsensor aufweisen, der für durch ein drittes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist. Die Verarbeitungsschaltung kann dazu ausgebildet sein: eine Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem dritten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu detektieren; und Wellendrehwinkelinformationen, die mit einem Drehwinkel der Welle verbunden sind, basierend auf der detektierten Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem dritten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu erzeugen. Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann das erste magnetische Ziel und das dritte magnetische Ziel aufweisen. Das erste magnetische Ziel kann ein erstes Zahnrad aufweisen, und das dritte magnetische Ziel kann ein drittes Zahnrad, das eine andere Anzahl von Zähnen als das erste Zahnrad hat, aufweisen. Das erste magnetische Ziel und das dritte magnetische Ziel können unterschiedliche Anzahlen von magnetischen Strukturen aufweisen. Das magnetische Drehmomentsensorsystem kann einen vierten Magnetsensor, der für durch ein viertes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, aufweisen, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgebildet ist, einen Umdrehungszählwert der Welle basierend auf einer oder mehreren Messungen von dem vierten Magnetsensor zu erzeugen.
Der erste Magnetsensor kann ein magnetoresistiver Sensor sein.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Magnetsensorsystem, das mindestens einen Bias-Magneten, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Magnetfeld zu erzeugen, einen ersten Magnetsensor, der für durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, einen zweiten Magnetsensor, der für eine durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte zweite Änderung des Magnetfelds empfindlich ist, und eine Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor in Verbindung steht, aufweist. Die Verarbeitungsschaltung ist dazu ausgebildet, eine Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu detektieren; und Wellendrehwinkelinformationen, die mit einem Drehwinkel einer Welle verbunden sind, basierend auf den detektierten Differenzen zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu erzeugen.
Das Magnetsensorsystem kann das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel aufweisen. Das erste magnetische Ziel kann ein erstes Zahnrad aufweisen, und das zweite magnetische Ziel kann ein zweites Zahnrad, das eine andere Anzahl von Zähnen als das erste Zahnrad hat, aufweisen. Das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel können unterschiedliche Anzahlen von magnetischen Strukturen aufweisen.
Das Magnetsensorsystem kann einen Multiturn-Magnetsensor aufweisen. Der Prozessor kann einen Umdrehungszählwert, der mehr als einer Umdrehung der Welle entspricht, basierend auf einer Ausgabe des Multiturn-Magnetsensors ausgeben.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Messen von an eine Welle, die einen ersten und einen zweiten Wellenteil, die miteinander gekoppelt sind, aufweist, angelegtem Drehmoment. Das Verfahren weist Erhalten einer mit der Drehung des ersten Wellenteils verbundenen ersten Magnetfeldmessung von einem ersten Magnetsensor auf. Die erste Magnetfeldmessung stellt durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen durch mindestens einen Bias-Magneten erzeugten Magnetfelds dar. Das Verfahren weist Erhalten einer mit einer Drehung des zweiten Wellenteils verbundenen zweiten Magnetfeldmessung von einem zweiten Magnetsensor auf. Die zweite Magnetfeldmessung stellt durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen durch den mindestens einen Bias-Magneten erzeugten Magnetfelds dar. Das Verfahren weist Erzeugen einer Messung des an die Welle angelegten Drehmoments basierend auf der ersten Magnetfeldmessung und der zweiten Magnetfeldmessung mit einer Verarbeitungsschaltung auf.
Das Verfahren kann Erzeugen von Wellendrehwinkelinformationen basierend auf einer Differenz zwischen der zweiten Magnetfeldmessung und einer dritten Magnetfeldmessung mit der Verarbeitungsschaltung aufweisen.
Das Verfahren kann Erzeugen eines mit mehr als einer Umdrehung der Welle in Verbindung stehenden Umdrehungszählwerts basierend auf einer Ausgabe von einem Multiturn-Magnetsensor mit der Verarbeitungsschaltung aufweisen.
Das Verfahren kann Bereitstellen der Drehmomentmessung für eine zum Steuern eines Lenksystems angeordneten Steuerung einer elektrischen Servolenkung aufweisen.
Zum Zwecke der Zusammenfassung der Offenbarung sind hier bestimmte Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der Neuerungen beschrieben worden. Es versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Vorteile gemäß jeder speziellen Ausführungsform erzielt werden können. Somit können die Neuerungen in einer Weise ausgestaltet oder durchgeführt werden, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen, wie hierin gelehrt, erzielt oder optimiert, ohne zwangsweise andere Vorteile, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen werden können, zu erzielen.
Figurenliste
Diese Zeichnungen und die zugehörige Beschreibung hierin werden zur Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt und sollen nicht einschränkend sein.

1A ist ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems, das Sensoren zum Messen von Drehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen eines Paars gekoppelter Wellenteile aufweist, gemäß einer Ausführungsform.
1B ist ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems, das Sensoren zum Messen von Drehmoment und Anzahl von Umdrehungen eines Paars gekoppelter Wellenteile aufweist, gemäß einer Ausführungsform.
1C ist ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems, das Sensoren zum Messen von Drehmoment und Winkeldrehung eines Paars gekoppelter Wellenteile aufweist und veranschaulicht, wie die Wellen Teil eines Kraftfahrzeuglenksystems sein können, gemäß einer Ausführungsform.
2A ist ein Flussdiagramm von Prozessen zum Messen von Wellendrehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen unter Verwendung eines Magnetsensors gemäß einer Ausführungsform.
2B ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Messen von Lenkmoment gemäß einer Ausführungsform.
3A ist ein Schemadiagramm eines elektrischen Servolenksystems (EPAS-Systems, EPAS - electric power assisted steering), das ein Magnetsensorsystem zum Detektieren eines Lenkwinkels und Lenkmoments als Teil des Bereitstellens von elektrischer Lenkunterstützung gemäß einer Ausführungsform verwendet.
3B ist ein Schemadiagramm eines EPAS-Systems, das ein Magnetsensorsystem zum Detektieren eines Lenkmoments und einer Anzahl von Lenkradumdrehungen als Teil des Bereitstellens von elektrischer Lenkunterstützung gemäß einer Ausführungsform verwendet.
3C ist ein Schemadiagramm eines EPAS-Systems, das ein Magnetsensorsystem zum Detektieren von Lenkmoment als Teil des Bereitstellens von elektrischer Lenkunterstützung gemäß einer Ausführungsform verwendet.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetsensorsystems, das einen Multiturn-Sensor und einen Winkelsensor gemäß einer Ausführungsform aufweist.
5A zeigt eine beispielhafte Magnetstreifenlayoutdarstellung eines Multiturn-Sensors mit einer entsprechenden Schaltschemadarstellung gemäß einer Ausführungsform.
5B ist ein Schemadiagramm, das ein Beispiel für einen magnetischen Winkelsensor mit einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Prozessflussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Messen von Drehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen einer Welle unter Verwendung von Magnetsensoren gemäß einer Ausführungsform.
7A ist ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems, das einen Bias-Magneten, einen Magnetsensor und ein magnetisches Ziel aufweist, gemäß einer Ausführungsform.
7B ist ein Schemadiagramm, das eine Seitenansicht des Magnetsensorsystems von 7A gemäß einer Ausführungsform zeigt.
7C ist ein Schemadiagramm des Magnetsensorsystems von 7A, das Magnetflusslinien von dem Bias-Magneten, die mit dem magnetischen Ziel und dem Magnetsensor interagieren, zeigt, gemäß einer Ausführungsform.
7D ist ein Schemadiagramm des Magnetsensorsystems von 7A, das Magnetflusslinien zeigt und eine Ausführungsform zeigt, bei der der Sensor zwei diskrete Magnetsensoren gemäß einer Ausführungsform aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung stellt verschiedene Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen vor. Die hierin beschriebenen Neuerungen können jedoch in einer Vielzahl von verschiedenen Weisen ausgestaltet werden, wie zum Beispiel durch die Ansprüche definiert und abgedeckt. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszahlen identische oder funktionelle ähnliche Elemente bezeichnen können. Es versteht sich, dass in den Figuren veranschaulichte Elemente nicht zwangsweise maßstäblich gezeichnet sind. Ferner versteht sich, dass gewisse Ausführungsformen mehr Elemente als in einer Zeichnung veranschaulicht und/oder eine Teilmenge der in einer Zeichnung veranschaulichten Elemente aufweisen können. Ferner können einige Ausführungsformen jegliche geeignete Kombination von Merkmalen von zwei oder mehr Zeichnungen enthalten.
Die hierin beschriebenen Magnetfelderfassungssysteme können eine vereinfachte, kompakte und modulare Anordnung zum Messen von Drehmoment, Stellung (zum Beispiel Winkel), Anzahl von Umdrehungen oder jeglicher Kombination daraus in verschiedenen Anwendungen bereitstellen. Beispielhafte Anwendungen für die offenbarten Magnetfeldsensoren weisen Messen von an eine Lenksäule angelegtem Drehmoment sowie der Drehzahl, des Drehwinkels und/oder der Anzahl von Umdrehungen der Lenksäule auf, sind aber nicht darauf beschränkt. Solche Informationen können als Teil eines elektrischen Servolenksystems (EPAS-Systems) zum Bereitstellen gewünschter Eigenschaften, wie zum Beispiel variabler Servounterstützung und/oder Dämpfung, verwendet werden. Die hierin offenbarten Magnetfelderfassungssysteme können jegliche magnetoresistiven (xMR-)Erfassungselemente aufweisen.
Hierin offenbarte Magnetsensorsysteme können Drehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen messen. Zum Beispiel ist 1A ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems 50, das Sensoren zum Messen von Drehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen eines Paars gekoppelter Wellen aufweist, gemäß einer Ausführungsform. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Magnetsensorsystem Drehmoment und Anzahl von Umdrehungen ohne Winkelmessung messen. Zum Beispiel ist 1B ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems 55, das Sensoren zum Messen von Drehmoment und Anzahl von Umdrehungen eines Paars gekoppelter Wellen aufweist, gemäß einer Ausführungsform. Gemäß gewisser Ausführungsformen kann das Magnetsensorsystem Drehmoment und Winkel ohne Messen der Anzahl von Umdrehungen messen. Zum Beispiel ist 1C ein Schemadiagramm eines Magnetsensorsystems 60, das Sensoren zum Messen von Drehmoment und Anzahl von Umdrehungen eines Paars gekoppelter Wellen aufweist, gemäß einer Ausführungsform. Jegliche geeigneten Kombinationen von Merkmalen der 1A bis 1C können zusammen mit einander implementiert werden.
In 1A wird ein Magnetsensorsystem 50 dargestellt, das Magnetfeldsensoren zum Messen von Drehmoment, Stellung und/oder Anzahl von Umdrehungen aufweist. Das System 50 kann weiter unten beschriebene Elemente, wie zum Beispiel magnetische Ziele 1, 2 und 3; Magnetsensoren 4, 5 und 6, einen Bias-Magneten 7; einen ersten und einen zweiten Wellenteil 8 und 9, die über ein Torsionselement 10 miteinander gekoppelt sind; einen Magnetsensor 11 und ein magnetisches Merkmal 12; ein Sensormodul 13; und eine Verarbeitungsschaltung 30a aufweisen. Im Allgemeinen kann das das Sensormodul 13 aufweisende System 50 modular sein und kann jegliche der oben genannten Sensoren und/oder Ziele zum Messen von Drehmoment, Wellendrehwinkel und Anzahl von Wellendrehungen aufweisen oder nicht aufweisen.
Wie in 1A gezeigt wird, kann das System 50 ein Torsionselement 10 mit einer bekannten Torsionssteifigkeit aufweisen, das sich zwischen einer ersten Welle 8 und einer zweiten Welle 9, die sich frei umeinander drehen können und die manchmal als erster bzw. zweiter Wellenteil bezeichnet werden, befindet. Eine Welle kann die erste Welle 8 als einen ersten Wellenteil und die zweite Welle 9 als den zweiten Wellenteil aufweisen. Die Torsionssteifigkeit des Torsionselements kann auch als Torsionskoeffizient bezeichnet werden, so dass das an das Torsionselement angelegte Drehmoment proportional zu dem Torsionskoeffizienten und dem Verdrehwinkel des Torsionselements ist. Das System 50 kann außer einem Torsionselement, wie zum Beispiel einem Torsionsstab 10, eine flexible Kopplungsvorrichtung aufweisen, die die Wellen 8 und 9 miteinander gekoppelt. Als Beispiel kann das System 10 eine Feder, eine Spirale oder ein anderes Element aufweisen, das bei angelegtem Drehmoment komprimiert oder gedehnt wird. Dies sind lediglich veranschaulichende Beispiele.
Wie in 1A gezeigt wird, kann das System 50 magnetische Ziele 1, 2, 3 in Form von Zahnrädern aufweisen. Ein magnetisches Merkmal 12 kann an einem der magnetischen Ziele enthalten sein. Die magnetischen Ziele 1 und 2 können starr am oberen Wellenabschnitt 8 angebracht sein, und das magnetische Ziel 3 kann an der unteren Ausgangswelle 9 angebracht sein. Im Allgemeinen kann es wünschenswert sein, die magnetischen Zielzahnräder wie z. B. die Ziele 1, 2 und 3 so anzubringen, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander sind. Mit anderen Worten, die Ziele 1, 2 und 3 können in im Wesentlichen parallelen Ebenen liegen. Bei mindestens einigen Ausführungsformen weist das magnetische Ziel 1 eine andere Anzahl von Zähnen als das Ziel 2 auf, um das Messen eines aktuellen Drehwinkels der oberen Welle 8 zu erleichtern. Als Beispiel kann das Ziel 2 n Zähne aufweisen, und das Ziel 1 kann n - 1 oder n + 1 Zähne aufweisen. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, dass die magnetischen Ziele 2 und 3 die gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen, um das Messen der Höhe eines über die Wellen 8 und 9 an das Torsionselement 10 angelegten Drehmoments zu erleichtern. Zusätzliche Details über die Art und Weise der Messung des Drehmoments, der Stellung und/oder der Anzahl von Umdrehungen werden hierin ausführlicher besprochen.
Obgleich die magnetischen Ziele 1, 2, 3 und 12 hierin manchmal als Zahnräder bezeichnet werden, können die magnetischen Ziele im Allgemeinen beliebige geeignete Strukturen aufweisen. Als erstes Beispiel können ein oder mehrere der magnetischen Ziele im Gegensatz zu einem einzigen Zahnrad mit Zähnen aus individuellen Strukturen gebildet sein, die an eine der Wellen 8 und 9 befestigt sind. Als zweites Beispiel können ein oder mehrere der magnetischen Ziele aus einer Scheibe oder einem Ring mit anderen Strukturen als Zähnen, wie zum Beispiel Vorsprüngen über oder unter der Ebene der Scheibe, gebildet sein. Als drittes Beispiel können ein oder mehrere der magnetischen Ziele aus einer Struktur mit variablen magnetischen Eigenschaften gebildet sein, wie zum Beispiel einem Ring, der zwar aus nichtmagnetischen Materialien gebildet ist, aber eingebettete oder befestigte magnetische Strukturen aufweist, die auf eine Art und Weise angeordnet sind, die dazu ausreicht, messbare Änderungen der Magnetfeldrichtung zu erzeugen und gewünschte Ziele, wie zum Beispiel Erfassung eines Drehmoments und/oder eines Wellendrehwinkels und/oder einer Anzahl von Umdrehungen, zu erreichen. Im Allgemeinen können die hierin offenbarten magnetischen Ziele magnetische Strukturen jeglicher Art aufweisen, darunter Zähne, Vorsprünge, eingebettete magnetische Materialien, eine variierende innere Struktur oder variierende Materialien usw. Darüber hinaus kann die magnetische Struktur auf eine Art und Weise angeordnet sein, die dazu ausreicht, messbare Änderungen der Magnetfeldrichtung zu erzeugen und gewünschte Ziele, wie zum Beispiel Erfassung eines Drehmoments, eines Drehwinkels und einer Anzahl von Umdrehungen, zu erreichen.
Bei Anlegen eines Drehmoments an eine oder beide der Wellen 8 und 9 verdreht sich der Torsionsstab 10, um das Drehmoment durch das System (das heißt zu der empfangenden Welle 8 oder 9) zu übertragen. Bei Verdrehen des Torsionsstabs 10 drehen sich die Zielzahnräder 2 und 3 bezüglich einander. Mit Zunahme des an den Torsionsstab 10 angelegten Drehmoments drehen sich die Zielzahnräder 2 und 3 bezüglich einander in einem Ausmaß weiter, das ungefähr gleich der Verdrehung des Torsionsstabs 10 ist (die proportional zu dem an den Torsionsstab 10 angelegten Drehmoment sein kann). Des Weiteren kann die Drehung der Zielzahnräder 2 und 3 bezüglich einander durch Messen der Verschiebung der Zähne an dem Zielzahnrad 2 bezüglich der Zähne an dem Zielzahnrad 3 gemessen werden. Somit kann die relative Drehung (das heißt Verschiebung) zwischen den Zielzahnrädern 2 und 3 das an die obere Welle 8 angelegte Drehmoment (oder wenn die untere Welle 9 eine Eingangsdrehmomentquelle ist, das an die untere Welle 9 angelegte Drehmoment) anzeigen. Allgemeiner kann die relative Drehung zwischen den Zielzahnrädern 2 und 3 das zwischen den Wellen 8 und 9 übertragene Drehmoment anzeigen. Wie hierin angemerkt wird, können die Wellen 8 und 9 Elemente sein, die Drehmoment in irgendeinem geeigneten System befördern, und sind nicht auf die hierin beschriebenen Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt.
Bei mindestens einigen Ausführungsformen kann das System 50 feste Anschläge aufweisen, die verhindern, dass eine relative Drehung zwischen den beiden Wellen 8 und 9 ein gewisses vorbestimmtes Ausmaß übersteigt. Als Beispiel kann das System feste Anschläge aufweisen, die verhindern, dass sich die Welle 8 (in beliebiger Richtung) um mehr als ca. 3,0°, 3,5°, 4,0° oder 4,5° Grad bezüglich der Welle 9 dreht. Bei einigen Ausführungsformen kann das System einen festen Anschlag aufweisen, der verhindert, dass sich die Welle 8 in einer ersten Richtung um mehr als ein geringes Ausmaß (zum Beispiel 0,0°, 0,5° oder 1,0° oder mehr) dreht, während gestattet wird, dass sich die Welle 8 in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung in einem größeren Ausmaß (zum Beispiel 3,0°, 3,5°, 4,0° oder mehr) dreht. Solche festen Anschläge können dazu dienen, den Torsionsstab 10 vor einer Beschädigung aufgrund von übermäßigem angelegten Drehmoment zu schützen. Bei solchen Ausführungsformen ist das System 50 möglicherweise nicht in der Lage, Drehmomentniveaus über einer Höhe, die dazu ausreicht, die festen Anschläge in Eingriff zu nehmen, genau zu messen.
Das System 50 kann ein Sensormodul 13 aufweisen, das Magnetfeldrichtungssensoren 5, 6 aufweist, die zu den Zähnen der Zielzahnräder 2, 3 weisend positioniert sind, und ein Bias-Magnet 7 kann hinter den Magnetfeldrichtungssensoren 5, 6 positioniert sein. Das die Sensoren 5, 6 aufweisende Sensormodul 13 und der Bias-Magnet 7 können von der Anordnung der Wellen 8 und 9 und des Torsionsstabs 10 entfernt angeordnet sein und drehen sich möglicherweise nicht mit einer der Wellen 8 und 9. Der Bias-Magnet 7 und die veranschaulichten Magnetsensoren können bei Drehung der Welle stationär sein. Magnetfeldlinien von dem Bias-Magneten 7 können durch die Sensoren 4, 5, 6 und 11 verlaufen und verzerrt werden, wenn ein Zielzahnradzahn von einem der Zahnräder 1, 2 oder 3 (oder ein magnetisches Merkmal, wie zum Beispiel das magnetische Merkmal 12) an seinem jeweiligen Sensor vorbeiläuft. Als Beispiel können bei Drehung der Wellen 8 und 9 (zum Beispiel, wenn ein Benutzer das Lenkrad dreht,) verschiedene Zähne des Zielzahnrads 1 am Sensor 4 vorbeilaufen, wodurch die von dem Bias-Magneten 7 ausgehenden Magnetfeldlinien verzerrt werden. Die Verzerrung oder der Richtungswechsel der Magnetfeldlinien kann durch die Feldrichtungssensoren 4, 5, 6 und 11 gemessen werden. Durch Vergleich der relativen Richtungswechsel der Feldlinien von den Sensoren 5 und 6 kann der Drehwinkel oder die Verdrehung des Zielzahnrads 3 bezüglich des Zielzahnrads 2 gemessen werden, und daraus kann unter Verwendung verschiedener Signalverarbeitungstechniken das an die Anordnung angelegte Drehmoment abgeleitet werden.
Das Magnetsensorsystem 50 von 1A kann eine Verarbeitungsschaltung 30a aufweisen. Die Verarbeitungsschaltung 30a kann in, neben oder entfernt von dem Sensormodul 13 angeordnet sein und kann ein oder mehrere Signale von den Magnetsensoren 4, 5, 6 und 11 empfangen. Die Verarbeitungsschaltung 30b kann Signale von den Magnetsensoren in einen Wellenumdrehungszählwert, einen Wellendrehwinkel und Drehmomentmessungen umwandeln.
Einen Bias-Magneten, wie zum Beispiel den Bias-Magneten 7, und magnetische Ziele, die Magnetfelder von dem Bias-Magneten verzerren, verändern, modifizieren oder auf andere Weise ändern, verwendende Ausführungsformen können gegenüber magnetische Ziele, die permanent magnetisiert sind und selbst Magnetfelder erzeugen, verwendenden Ausführungsformen Vorteile aufweisen. Als Beispiel können ein geeigneter Bias-Magnet und geeignete magnetische Ziele, die durch einen Bias-Magneten erzeugte Magnetfelder verzerren, im Vergleich zu dauerhaft magnetisierten magnetischen Zielen, die geeignete Magnetfelder erzeugen, relativ kostengünstig sein. Mit anderen Worten, Systeme, die magnetisch aktive Ziele verwenden, können in der Bereitstellung teurer und weniger zuverlässig als Systeme sein, die magnetisch passive Ziele verwenden, die nahe der oder durch die magnetisch passiven Ziele verlaufende Magnetfelder lediglich verzerren, verändern, modifizieren oder auf andere Weise ändern.
Bei einigen Ausführungsformen können Magnetsensorsysteme, wie zum Beispiel die Systeme 50, 55 und 60 der 1A-1C, mehr als einen Bias-Magneten aufweisen. Als Beispiel können die hierin offenbarten Magnetsensorsysteme mit einem Bias-Magneten pro magnetischem Ziel oder Merkmal versehen sein. Als anderes Beispiel können die hierin offenbarten Magnetsensorsysteme mit mehreren Bias-Magneten versehen sein, von denen mindestens einer Magnetfelder erzeugt, die durch zwei oder mehr magnetische Ziele oder Merkmale verzerrt oder auf andere Weise beeinflusst werden, wobei solche Verzerrungen durch zwei oder mehr Magnetsensoren detektiert werden. In einigen Situationen kann es günstig sein, zwei oder mehr Bias-Magneten bereitzustellen. Als Beispiel könnte das Sensormodul 13 in zwei Komponenten geteilt werden, von denen eine oder beide von der Kopplung zwischen den Wellenteilen 8 und 9 weg bewegt werden könnten.
Die Magnetfeldrichtungssensoren, wie zum Beispiel die Sensoren 4, 5, 6 und 11, können auf anisotropen magnetoresistiven Sensorelementen (AMR-Sensorelementen, AMR - anisotropic magnetoresistive), Riesenmagnetowiderstandssensorelementen (GMR-Sensorelementen, GMR - giant magnetoresistive), jeglichen magnetoresistiven Erfassungselementen (xMR), tunnelmagnetoresistiven Sensorelementen (TMR-Sensorelemente, TMR - tunneling magnetorestitive) oder anderen geeigneten Technologien basieren, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Sensoren Sinus- und Kosinus-Ausgangssignale bereitstellen.
Bei anderen Ausführungsformen kann das Sensormodul 13 an der Welle 8 (oder der Welle 9) angebracht sein und kann sich zusammen mit der Welle 8 (oder der Welle 9) drehen. Bei solchen Ausführungsformen kann das an den Torsionsstab 10 angelegte Drehmoment unter Verwendung eines einzigen Magnetfeldrichtungssensors und eines einzigen magnetischen Ziels bestimmt werden. Als Beispiel könnte das Sensormodul 13 starr an der Welle 9 angebracht sein. Dann könnte das Sensormodul 13 unter Verwendung des Magnetsensors 5 und eines an der Welle 9 befestigten magnetischen Ziels (wie zum Beispiel des Zielzahnrads 2) die relative Drehung zwischen den Wellen 8 und 9 und somit das an das System angelegte Drehmoment identifizieren.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Sensormodul 13 einen oder mehrere Sensoren und ein oder mehrere Ziele, die zum Messen des Drehwinkels der Anordnung (zum Beispiel der Drehstellung zwischen 0° und 360° der Welle 8 und/oder der Welle 9) ausgebildet sind, aufweisen. Als Beispiel können die Zahnräder 1 und 2 an der Eingangswelle 8 befestigt sein und können sich zusammen mit der Drehung der Eingangswelle 8 drehen. Darüber hinaus kann das Zielzahnrad 1 mehr oder weniger Zähne als das Zielzahnrad 2 aufweisen. Als Beispiel kann das Zielzahnrad 2 n Zähne aufweisen, während des Zielzahnrad 1 n - 1 oder n + 1 Zähne aufweisen kann. In solch einem Beispiel gilt das Nonius-Prinzip, und der absolute Drehwinkel beider Zahnräder 1 und 2 kann durch Messen der relativen Verschiebung der Zähne am Ziel 1 bezüglich der Zähne am Ziel 2 an der Stelle der Sensoren 4 und 5 abgeleitet werden. Wenn sich die Zielzahnräder 1 und 2 hinsichtlich der Zähnezahl um eins unterscheiden, variiert der relative Versatz zwischen benachbarten Zähnen der Zahnräder 1 und 2 an der Stelle der Magnetsensoren 4 und 5 auf einzigartige Weise bei einer vollständigen Drehung der Welle 8. Durch Vergleich der Messungen von den Sensoren 4 und 5 kann somit der absolute Drehwinkel der Eingangswelle 8 zwischen 0° und 360° gemessen werden.
Bei noch weiteren Ausführungsformen kann das Sensormodul 13 einen oder mehrere Sensoren und ein oder mehrere Ziele aufweisen, die zum Messen der Anzahl von Drehungen der Wellenanordnung ausgebildet sind. Solche Sensoren und Ziele können hierin als Umdrehungszähler bezeichnet werden. Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen kann der Umdrehungszähler anzeigen, wie viele Male sich das Rad 20 aus einer 0°-Stellung um 360° gedreht hat. Als Beispiel gestatten viele Kraftfahrzeuge einem Fahrer, ein Rad ca. 3,5 mal von dem linken festen Anschlag zu dem rechten festen Anschlag zu drehen (somit kann der Fahrer das Rad etwas über 1,5 mal aus der Totpunktstellung zu dem linken oder rechten festen Anschlag drehen). In Kombination mit einem Drehstellungssensor (wie zum Beispiel die Zahnräder 1, 2 und die Sensoren 4, 5) kann ein Umdrehungszähler zusammen mit der aktuellen Drehung eine Anzeige darüber bereitstellen, wie viele Male das Rad vollständig gedreht worden ist, wodurch eine genaue Anzeige über die Lenkstellung der Räder gegeben wird.
Das Sensormodul 13 kann Drehungen der Wellenanordnung unter Verwendung eines oder mehrerer magnetischer Ziele, wie zum Beispiel des magnetischen Merkmals 12, und eines oder mehrerer Sensoren, wie zum Beispiel des Sensors 11, messen. Bei einigen Ausführungsformen kann das magnetische Merkmal 12 ein magnetisches Element sein, das sich von einem der Zielzahnräder erstreckt und dazu ausgebildet ist, die Magnetfeldlinienrichtung (der durch den Bias-Magneten 7 erzeugten Feldlinien) zu ändern. Der Sensor 11 kann Änderungen der Magnetfeldlinienrichtung detektieren, wenn das magnetische Ziel 12 am Sensor vorbeiläuft. Es können verschiedene Signalverarbeitungstechniken zum Erkennen der Beendigung halber Umdrehungen und/oder vollständiger Umdrehungen der Wellenanordnung und zum Aufzeichnen der Anzahl von Umdrehungen verwendet werden. (Bei einigen Ausführungsformen kann der Umdrehungszähler bei Aufzeichnung der Beendigung einer vollständigen Drehung der Welle 8 und/oder 9 in einer ersten Richtung einen Zählwert der vollständigen Umdrehungen erhöhen und kann bei Aufzeichnung der Beendigung einer vollständigen Drehung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung den Zählwert der vollständigen Umdrehungen verringern. Negative Umdrehungszahlen können vollständige Drehungen in der zweiten Richtung darstellen).
1B zeigt ein anderes Magnetsensorsystem 55, das dem System 50 von 1A ähnelt, aber keine Komponenten zum Messen des Wellendrehwinkels aufweist. Wie in 1B gezeigt wird, kann das Magnetsensorsystem 55 hierin weiter beschriebene Elemente, wie zum Beispiel magnetische Ziele 2 und 3; Magnetsensoren 5 und 6, einen Bias-Magneten 7; einen ersten und zweiten Wellenteil 8 und 9, die über ein Torsionselement 10 miteinander gekoppelt sind; einen Magnetsensor 11 und ein magnetisches Merkmal 12; ein Sensormodul 13; und eine Verarbeitungsschaltung 30b aufweisen. Die Verarbeitungsschaltung 30b kann in, neben oder entfernt von dem Sensormodul 13 angeordnet sein und kann ein oder mehrere Signale von den Magnetsensoren 5, 6 und 11 empfangen. Die Verarbeitungsschaltung 30b kann Signale von den Magnetsensoren in einen Wellenumdrehungszählwert und Drehmomentmessungen umwandeln.
1C zeigt ein anderes Magnetsensorsystem 60, das dem System 50 von 1A ähnelt, aber keine Komponenten zum Messen der Anzahl von Wellendrehungen aufweist (zum Beispiel keine Umdrehungzählkomponenten aufweist). Wie in 1C gezeigt wird, kann das Magnetsensorsystem 60 hierin weiter beschriebene Elemente, wie zum Beispiel magnetische Ziele 1,2 und 3; Magnetsensoren 4, 5 und 6, einen Bias-Magneten 7; einen ersten und zweiten Wellenteil 8 und 9, die über ein Torsionselement 10 miteinander gekoppelt sind; ein Sensormodul 13; und eine Verarbeitungsschaltung 30c aufweisen. Die Verarbeitungsschaltung 30c kann in, neben oder entfernt von dem Sensormodul 13 angeordnet sein und kann ein oder mehrere Signale von den Magnetsensoren 4, 5 und 6 empfangen. Die Verarbeitungsschaltung 30c kann Signale von den Magnetsensoren in einen Wellendrehwinkel und Drehmomentmessungen umwandeln.
Ferner veranschaulicht 1C, dass die erste Welle 8 eine obere Eingangswelle, die mit einem Lenkrad 20 gekoppelt ist, und die zweite Welle 9 eine untere Ausgangswelle, die mit einem Lenksystem 22 gekoppelt ist, sein kann (oder umgekehrt). Darüber hinaus kann ein EPAS-System vorgesehen sein, das eine Steuerung und einen oder mehrere Motoren aufweist, die mit der zweiten Welle 9 und/oder dem Lenksystem 22 gekoppelt sind. Das EPAS-System kann Informationen von den offenbarten Magnetfeldsensoren bei der Bereitstellung von EPAS-Funktionalität verwenden, wie zum Beispiel variable Servounterstützung, Dämpfung und automatisierte Lenkungsfunktionalität wie beispielsweise Spurhaltung, automatisiertes Parken, automatisiertes Fahren usw. Das Lenkrad 20 und das Lenksystem 22 sind der Einfachheit halber aus den 1A und 1B weggelassen worden. Wie zuvor erwähnt worden ist, können darüber hinaus Systeme, wie zum Beispiel die Systeme 50, 55 und 60, in den verschiedensten Anwendungen enthalten sein und sind nicht auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt.
In 2A wird einem Flussdiagramm eines Prozesses zum Messen von Wellendrehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen gezeigt. Wie hierin besprochen wird, können die Zielzahnräder 1, 2 und 3 und das Zielmerkmal 12 durch entsprechende Sensoren, wie zum Beispiel die Sensoren 4, 5, 6 und 11, messbare Änderungen eines Magnetfelds, das durch den Bias-Magneten 7 erzeugt werden kann, induzieren. Diese messbaren Änderungen können das an eine oder mehrere Wellen angelegte Drehmoment sowie den Drehwinkel und die Anzahl von Umdrehungen der Welle anzeigen.
In den Operationen 210, 212, 214 und 216 können die Sensoren 4, 5, 6 und 11 infolgedessen, dass sich eines oder mehrere der Ziele 1, 2, 3 und 12 (das heißt das Merkmal 12 und die Zahnräder 1, 2, 3) drehen und mit dem durch den Bias-Magneten 7 erzeugten Magnetfeld interagieren, messbare Änderungen der durch die Sensoren verlaufenden Magnetfeldrichtung detektieren. Wie hierin ausführlicher beschrieben wird (siehe 5B und den 5B begleitenden Text) können die Operationen 210-216 Messen des trigonometrischen Sinus und Kosinus der Rotation (zum Beispiel Ausrichtung) des durch einen oder mehrere der jeweiligen Sensoren 11, 4, 5 und 6 verlaufenden Magnetfelds aufweisen.
Die Operation 210 kann das Zählen von Umdrehungen einer Drehwelle, wie zum Beispiel der Welle 8 oder 9, unter Verwendung eines Multiturn-Zählers basierend auf Magnetfeldänderungen von dem magnetischen Merkmal 12 beinhalten. Als Beispiel kann die Operation 210 Erzeugen, Zerstören und/oder Bewegen von Domänenwänden in einem magnetischen Streifen zur Aufzeichnung von Umdrehungen beinhalten, wie in Verbindung mit 5A hierin weiter besprochen wird. Operation 212 kann Messen des Sinus und Kosinus (zum Beispiel der Ausrichtung) des durch den Sensor 4 verlaufenden Magnetfelds beinhalten. Operation 214 kann Messen des Sinus und Kosinus (zum Beispiel der Ausrichtung) des durch den Sensor 5 verlaufenden Magnetfelds beinhalten. Operation 216 kann Messen des Sinus und Kosinus (zum Beispiel der Ausrichtung) des durch Sensor 6 verlaufenden Magnetfelds beinhalten.
In den Operationen 218, 220, 222 und 224 kann der Winkel des durch die Sensoren verlaufenden Magnetfelds anhand der in den Operationen 210-216 gemessenen Sinus- und Kosinussignale der Drehung des Magnetfelds bestimmt werden. Insbesondere kann die Berechnung 218 Ermitteln des Arcustangens oder „Arctans“ (das heißt des Sinuswerts dividiert durch den Kosinuswert) der durch den Sensor 11 ausgeführten und dem Ziel 12 zugeordneten Messungen beinhalten. Auf ähnliche Weise können die Berechnungen 220, 222 und 224 Ermitteln des Arctans der jeweiligen durch die Sensoren 4, 5 und 6 ausgeführten und den Zielen 1, 2 und 3 zugeordneten Messungen beinhalten.
Operation 218 kann Ermitteln des Arctans der durch den Sensor 11 in Operation 210 ausgeführten Sinus- und Kosinusmessungen beinhalten. Operation 220 kann Ermitteln des Arctans der durch den Sensor 4 in Operation 212 ausgeführten Sinus- und Kosinusmessungen beinhalten. Operation 222 kann Ermitteln des Arctans der durch den Sensor 5 in Operation 214 ausgeführten Sinus- und Kosinusmessungen beinhalten. Operation 224 kann Ermitteln des Arctans der durch den Sensor 6 in Operation 216 ausgeführten Sinus- und Kosinusmessungen beinhalten.
In Operation 226 kann eine in den Operationen 220 und 222 bestimmte Differenz zwischen den Arctanwerten bestimmt werden. Wie zuvor besprochen wurde, führt die Differenz bei der Anzahl von Zähnen (oder bei anderen Merkmalen, die eine Änderung des Magnetfelds induzieren) zwischen den Zielzahnrädern 1 und 2 zu einer einzigartigen Phasenverschiebung bei jedem Drehwinkel (zum Beispiel zwischen 0° und 360°). Somit ist es die einzigartige Phasenverschiebung oder es sind die Differenzen bei der Richtung der beiden durch die Sensoren 4 und 5 (und der zugehörigen Zahnräder 1 und 2) erfassten Magnetfelder, die zur Berechnung des Wellendrehwinkels verwendet werden können, (statt der durch einen einzelnen der Sensoren 4 und 5 erfassten Feldrichtung). Das Bestimmen der Differenz zwischen den Arctanwerten als Teil von Operation 226 ermöglicht somit das Bestimmen des Wellendrehwinkels in Operation 232. Insbesondere kann Operation 232 Zuordnen der gemessenen Differenz zwischen den Magnetfeldern an den Sensoren 4 und 5 zu einer vorbestimmten Zuordnung solcher Differenzen zu Wellendrehwinkeln beinhalten. Wie besprochen wurde, können die Differenzen zwischen den Magnetfeldern an den Sensoren 4 und 5 kontinuierlich und einzigartig über den gesamten Drehbereich (zum Beispiel zwischen 0° und 360°) variieren und können sich nur nach Beendigung einer vollständigen Umdrehung wiederholen. Durch Verfolgen eines Wellendrehwinkels über die Zeit kann das System darüber hinaus in der Lage sein, die Richtung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Wellendrehung zu identifizieren.
Das System 50 kann über einen Kalibrierungsprozess, der als Teil eines Einrichtungsprozesses, als Teil einer laufenden Echtzeitkalibrierung oder irgendeines anderen Kalibrierungsprozesses erfolgen kann, einen Null-Drehwinkel (der im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen einer geradlinigen Lenkrichtung zugeordnet sein kann) identifizieren. Als Beispiel kann eine Steuerung im Sensormodul 13 oder irgendeinem anderen Teil des Systems 50 durch Vergleichen von Messungen von den Sensoren 4 und 5 mit vorbestimmten bekannten oder als einer Null-Drehwinkelposition, die während eines Kalibrierungsprozesses bestimmt werden kann, zugeordnet angenommenen identifizieren. Als anderes Beispiel kann die Steuerung Drehwinkel im Laufe der Zeit überwachen und die Null-Drehwinkelposition basierend auf der Annahme, dass der statistische Modus (oder der häufigste Wert) des Drehwinkels der Null-Winkel sein würde (zum Beispiel, dass Autos öfter geradeaus als eine Kurve fahren), basierend auf einer Annahme, dass das statistische Mittel (oder der Durchschnittswert) des Drehwinkels der Null-Winkel sein würde, oder anderen Techniken zur Identifizierung eines Null-Winkels identifizieren.
In Operation 228 kann eine in den Operationen 222 und 224 bestimmte Differenz zwischen den Arctanwerten bestimmt werden. Wie zuvor besprochen wurde kann an die Welle 8 (oder Welle 9) angelegtes Drehmoment ein Verdrehen des Torsionsstabs 10 und ein Verdrehen der Welle 8 bezüglich der Welle 9 verursachen. Da sich die Zahnräder 2 und 3 mit den Wellen 8 bzw. 9 bewegen, kann ein Anlegen des Drehmoments an die Welle 8 (oder Welle 9) verursachen, dass sich die Zahnräder 2 und 3 bezüglich einander um ein Ausmaß verschieben, das im Verhältnis zu der Höhe des angelegten Drehmoments variiert. Somit ist es die Phasenverschiebung oder es sind die durch die Sensoren 5 und 6 (und die zugehörigen Zahnräder 2 und 3) erfassten Differenzen bei der Richtung der beiden Magnetfelder, die zum Ableiten des an das System angelegten Drehmoments verwendet werden können.
Bei einigen Ausführungsformen kann es akzeptabel sein, wenn die Zahnräder 2 und 3 bezüglich einander verschoben werden, selbst wenn kein Drehmoment an das System angelegt ist. Bei solchen Ausführungsformen kann eine Steuerung im Sensormodul 13 oder irgendeinem anderen Teil des Systems 50 solch einen Versatz über einen Kalibrierungsprozess ausgleichen. Insbesondere kann das System den Null-Drehmoment-Zustand irgendeiner (durch die versetzten Zahnräder 2 und 3 verursachten) bestimmten Phasendifferenz der durch die Sensoren 5 und 6 verlaufenden Magnetfelder zuordnen und kann durch Messen von Differenzen von der Ausgangsphasendifferenz Drehmomente messen.
Somit ermöglicht ein Bestimmen der Differenz zwischen den Arctanwerten als Teil von Operation 228 eine Bestimmung des an die Welle 8 (oder 9) angelegten Drehmoments in Operation 234. Insbesondere kann Operation 234 Bestimmen des Ausmaßes der Bewegung des Zahnrads 2 bezüglich des Zahnrads 3 basierend auf vorbestimmten Beziehungen zwischen den Zahnrädern, Zahnradzähnen und ihren Auswirkungen auf die durch die Sensoren 5 und 6 verlaufenden Magnetfelder beinhalten. Operation 234 kann auch Ableiten des an das System angelegten Drehmoments basierend auf dem bestimmten Ausmaß der Bewegung des Zahnrads 2 bezüglich des Zahnrads 3 und vorbestimmten Attributen des Systems, wie zum Beispiel der Steifigkeit des Torsionsstabs 10, der Position von festen Anschlägen usw., aufweisen.
Wie in 2A (sowie in den 1A und 1C) veranschaulicht wird, kann das Messen des Wellendrehwinkels bei einigen Ausführungsformen Messen von durch die beiden Zielzahnräder (1 und 2) induzierten Änderungen der Magnetfeldrichtung beinhalten. Ebenso kann das Messen des Wellendrehmoments bei einigen Ausführungsformen Messen von durch die beiden Zielzahnräder (2 und 3) induzierten Änderungen der Magnetfeldrichtung beinhalten. Es kann jedoch möglich sein, eines der Zahnräder (in den veranschaulichten Beispielen Zahnrad 2) sowohl für Wellendrehwinkel- als auch Drehmomentmessungen zu verwenden, wodurch die Anzahl von verwendeten Zielzahnrädern und die Kosten, die Größe und die Komplexität des sich ergebenden Systems verringert werden.
Zusätzlich zu der Höhe des an das System angelegten Drehmoments kann das System in der Lage sein zu bestimmen, ob Drehmoment an die Welle 8 oder die Welle 9 angelegt wird (das heißt, ob der Fahrer versucht, das Rad zu drehen, oder ob das Lenksystem versucht, durch das Rad Feedback für den Fahrer bereitzustellen) . Mit anderen Worten, das System kann in der Lage sein, die Richtung des angelegten Drehmoments zu bestimmen und somit zwischen einem Verdrehen des Torsionsstabs 10 in einer ersten Richtung und Verdrehen in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung zu unterscheiden. Das System kann die Richtung oder die Quelle des Drehmoments durch Analysieren von Messungen von den Sensoren 5 und 6 identifizieren. Insbesondere kann ein in Berechnung 228 erhaltener negativer Wert (oder allgemeiner ein Wert, der niedriger als der dem Null-Drehmoment zugeordnete ist) als dem Drehmomenteintrag in die Welle 8 (oder 9) zugeordnet bestimmt werden; während ein in Berechnung 228 erhaltener positiver Wert (oder allgemeiner ein Wert, der höher als der dem Null-Drehmoment zugeordnete ist) als dem Drehmomenteintrag in die Welle 9 (oder 8) zugeordnet bestimmt werden.
In Operation 230 kann die Anzahl vollständiger Wellenumdrehungen über die Zeit verfolgt werden. Die Arctanberechnung von Operation 218 (oder irgendeine geeignete auf Messungen vom Sensor 11 basierende Berechnung) kann bei der Bestimmung, wann eine vollständige Wellenumdrehung beendet ist, verwendet werden. Darüber hinaus kann die Richtung der Wellenumdrehung basierend auf den Messungen von dem Sensor 11 oder Messungen von anderen Sensoren (wie zum Beispiel den Rotationssensoren 4 und 5) oder einigen Kombinationen davon bestimmt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das System eine vollständige Umdrehung in einer ersten Richtung als eine +1-Umdrehung und eine vollständige Umdrehung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung als eine -1-Umdrehung aufzeichnen, wodurch es dem System gestattet wird, leicht zu verfolgen, wie viele Male die Welle von einer vorbestimmten Mittelposition weggedreht worden ist und in welche Richtung die Welle gedreht wurde.
Die 3A, 3B und 3C veranschaulichen, wie durch magnetische Erfassungssysteme erhaltene Informationen, wie zum Beispiel das an die Wellen angelegte Drehmoment, der Drehwinkel und die Anzahl von vollständigen Umdrehungen von einem anderen System, wie zum Beispiel einem elektrischen Servolenksystem (EPAS-System), verwendet werden können. Insbesondere können Informationen von einem magnetischen Erfassungssystem von einer elektronischen Steuereinheit (ECU - electronic control unit) 310 einer elektrischen Servolenkung (EPS - electric power assisted steering) verwendet werden und können insbesondere von einer EPAS-Steuerung 314 verwendet werden, um einen elektrische Hilfsmotor 316 zu steuern. Der elektrische Hilfsmotor 316 kann mit dem Lenksystem 22 gekoppelt sein. Darüber hinaus kann die EPAS-Steuerung 314 durch Verwendung eines Bewegungspositionssensors 312 Feedback über die Motorposition empfangen. Der Sensor 312 kann Techniken der hierin beschriebenen Art zur Erfassung des Drehwinkels des Elektromotors 316 (der mindestens eine mit der Welle 8 oder 9 vergleichbare Welle aufweisen kann) verwenden.
Bei mindestens einigen Ausführungsformen kann die EPAS-Steuerung 314 den Betrieb des elektrischen Hilfsmotors 316 als Reaktion auf eines oder mehrere von Drehmoment, Drehwinkel und der Anzahl vollständiger Umdrehungen, das/der/die von einem magnetischen Erfassungssystem gemessen wird, variieren. Als Beispiel kann die EPAS-Steuerung 314, wenn das Sensormodul 13 (durch Detektieren der Drehmomentrichtung, wie hierin beschrieben) relativ hohe Drehmomentniveaus an der Eingangswelle 8 detektiert, durch Ansteuern des Motors 316 zur Bereitstellung eines hohen Grads an elektrischer Unterstützung in Richtung der Wellendrehung (als Teil von Prozess 232 bestimmt) reagieren.
3A veranschaulicht ein magnetisches Erfassungssystem 60 der in 1C veranschaulichten Art, das ein Sensormodul 13 mit mindestens Komponenten, die zum Erfassen von Drehmoment und Wellendrehwinkel ausgebildet sind, die auch als Drehmomentabgabe und Lenkwinkel bezeichnet werden können, aufweist. Wie in 3A gezeigt wird, kann das System 60 ferner eine Verarbeitungsschaltung 30c aufweisen, die Signale von den Magnetsensoren 4, 5 und 6 empfängt, die Drehmoment und Lenkwinkel berechnet und die das gemessene Drehmoment und den gemessenen Lenkwinkel zu der EPS ECU 310 oder zu einer anderen gewünschten Komponente sendet.
3B veranschaulicht ein magnetisches Erfassungssystem 65, das ein Sensormodul 13 mit mindestens Komponenten, die zum Erfassen von Drehmoment und Wellenumdrehungszählwert ausgebildet sind, die auch als Drehmomentabgabe und Indexzähler bezeichnet werden können, aufweist. Wie in 3B gezeigt wird, kann das System 65 ferner eine Verarbeitungsschaltung 30d aufweisen, die Signale von den Magnetsensoren 5, 6 und 11 empfängt, die Drehmoment und Anzahl von Umdrehungen berechnet und die das gemessene Drehmoment und die gemessenen Anzahl von Umdrehungen zu der EPS ECU 310 oder zu einer anderen gewünschten Komponente sendet.
3C veranschaulicht ein magnetisches Erfassungssystem 70, das ein Sensormodul 13 mit mindestens Komponenten, die zum Erfassen von Drehmoment ausgebildet sind, das auch als Drehmomentabgabe bezeichnet werden kann, aufweist. Wie in 3C gezeigt wird, kann das System 70 ferner eine Verarbeitungsschaltung 30e aufweisen, die Signale von den Magnetsensoren 5 und empfängt, die Drehmoment berechnet und die das gemessene Drehmoment zu der EPS ECU 310 oder zu einer anderen gewünschten Komponente sendet.
Zusätzliche Details von Magnetsensoren, wie zum Beispiel jene beim Messen von Drehmoment, Drehwinkel (und Richtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung) und Anzahl von Umdrehungen verwendeten, werden unten beschrieben und in den 4, 5A und 5B veranschaulicht.
Magnetsensoren können dazu verwendet werden, die Winkelposition und Drehgeschwindigkeit einer sich bewegenden Welle zu überwachen. Solch eine magnetische Erfassung kann für viele verschiedene Anwendungen, wie unter anderem zum Beispiel Kraftfahrzeuganwendungen, medizinische Anwendungen und industrielle Steueranwendungen, verwendet werden. Es gibt mehrere Technologien zur Herstellung von Magnetsensoren. Zum Beispiel gibt es Hall-Effekt-Sensoren. Hall-Effekt-Sensoren können Gleichstrom-Ausgangsspannungen (DC-Ausgangsspannungen) basierend auf der Stärke eines angelegten Magnetfelds erzeugen. Ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt sinusförmige Wellenformen in Hall-Effekt-Sensoren, die dann durch einen Computer zur Berechnung eines Winkels verarbeitet werden können. Es gibt auch Riesenmagnetowiderstandssensoren (GMR-Sensoren). Bei einem GMR-Sensor werden durch Verwendung von Schichten aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Materialien GMR-Widerstände gebildet. Die GMR-Widerstände können in Wheatstone-Brücken zur Erfassung von Änderungen von sich drehenden Magnetfeldern verwendet werden. AMR-Sensoren können zum Messen einer Winkelposition verwendet werden. Solche AMR-Sensoren können in Vollbrücken angeordnet sein.
Magnetsensoren können zum Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl von Umdrehungen in Halfturn-Inkrementen, in denen sich Zustände bei jeder Viertelumdrehung ändern können, oder zum Erfassen des Winkels eines sich drehenden Magnetfelds auf einem Chip integriert werden. Ein Magnetsensor zum Erfassen und Aufzeichnen der Anzahl von Umdrehungen in Viertelumdrehungs-Inkrementen kann als ein Multiturn(MT)-Sensor bezeichnet werden. Ein Magnetsensor zum Erfassen des Drehwinkels über einen Bereich von 360 Grad kann als ein Winkelsensor oder als ein Singleturn(360 Grad)-Winkelsensor bezeichnet werden. Sowohl ein Multiturn-Sensor als auch ein Winkelsensor können zusammen zum Bestimmen der Drehwinkelposition, die 360 Grad übersteigt, verwendet werden. Diese Kombination aus einem Multiturn-Sensor mit einem Winkelsensor kann auch als ein Multiturn-Winkelsensor bezeichnet werden.
Eine zusätzliche Schaltungsanordnung kann zum Verarbeiten und/oder Umwandeln von Signalen von dem Multiturn-Sensor und dem Winkelsensor in Nutzinformationen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Analog-Digital-Wandler (ADW) zum Umwandeln von Spannungen von den Sensoren in digitale Daten verwendet werden, die zu der Gesamtdrehwinkelposition und/oder Winkelgeschwindigkeit verarbeitet werden können.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines magnetischen Multiturn-Winkelsensorsystems 160, das einen Multiturn(MT)-Sensor 100 und einen Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 aufweist, gemäß einer Ausführungsform. Der Sensor 100 kann den Sensor 11 aufweisen, der zumindest in Verbindung mit 1A weiter beschrieben wird, und kann zum Messen und/oder Aufzeichnen eines Umdrehungszählwerts, eines Halfturn-Zählwerts oder irgendeines anderen Teil- oder Mehrfachzählwerts von Drehungen einer Welle verwendet werden. Die Sensoren 166 können einen oder mehrere der Sensoren 4, 5 und 6 aufweisen, die zumindest in Verbindung mit 1A beschrieben werden, und können bei einigen Ausführungsformen zum Erfassen sowohl von Drehmoment als auch Winkel verwendet werden.
Das Multiturn-Winkelsensorsystem 160 von 4 kann auch eine Verarbeitungsschaltung 168 und eine Leiterplatte (PCB) 163 enthalten, auf der der MT-Sensor 100, der Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 und die Verarbeitungsschaltung 168 angeordnet sind. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann ein oder mehrere Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und ein oder mehrere Signale S_A von dem Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 empfangen und dann diese empfangenen Signale verarbeiten, um eine Anzahl von Umdrehungen, eine Drehwinkelposition (oder einen Winkel) und/oder eine Drehmomentmessung bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung 168 kann einen Halfturn-Decodierer 169 aufweisen. Der Halfturn-Decodierer 169 kann ein oder mehrere Signale S_M von dem MT-Sensor 100 empfangen und einen Halfturn-Zählwert ausgeben. Das oder die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 und das oder die Signale S_A von dem Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 können analoge Signale sein. Beispielsweise können das oder die Signale S_M von dem MT-Sensor 100 von Widerstandsnetzwerken wie etwa GMR-Widerstände aufweisenden Wheatstone-Brücken abgeleitete Spannungssignale sein.
5A zeigt eine beispielhafte Magnetstreifenlayoutdarstellung eines Multiturn-Sensors 100 mit einer entsprechenden Schaltschemadarstellung 150 gemäß einer Ausführungsform. Bei der Ausführungsform von 5A ist ein Magnetstreifen 101 auf einem Chip strukturiert. Der Magnetstreifen 101 weist Ecken 105 und Segmente 103a bis 103n, die magnetoresistive Elemente R1 bis R14 bilden, welche in Reihe geschaltet sind, und einen Domänenwandgenerator 107 auf. Die magnetoresistiven Elemente können als variable Widerstände wirken, die ihre Widerstände als Reaktion auf einen Magnetausrichtungszustand ändern. Die Magnetstreifenstruktur des dargestellten Multiturn-Sensors 100 kann in einem Multiturn-Zähler implementiert werden, der mindestens drei Umdrehungen zählen kann. Der Multiturn-Sensor 100 kann ohne Energie arbeiten (zum Beispiel Umdrehungen aufzeichnen).
Der Magnetstreifen 101 kann eine Riesenmagnetowiderstandsbahn sein, die physisch in Form einer Spirale ausgelegt ist. Wie in 5A veranschaulicht wird, kann ein derartiger spiralförmiger Magnetstreifen 101 abgerundete Ecken 105 und Segmente 103a bis 103n aufweisen. Der Magnetstreifen 101 kann eine magnetische Anisotropie wie etwa eine starke Anisotropie basierend auf den Material- und Querschnittsabmessungen des Magnetstreifens 101 aufweisen. Der Magnetstreifen 101 kann magnetische Energie speichern. Domänenwandgenerator (DWG) 107 ist mit einem Ende des Magnetstreifens 101 gekoppelt. Der DWG 107 kann eine magnetische Anisotropie wie etwa eine niedrige Anisotropie aufweisen. Der Domänenwandgenerator kann Domänenwände als Reaktion auf Drehungen in einem Magnetfeld erzeugen. Die Domänenwände können in den Magnetstreifen 101 injiziert werden.
Die Segmente 103a bis 103n des Magnetstreifens 101 sind in dem Beispiel von 5A als gerade Seiten des Magnetstreifens 101 gezeigt. Die Segmente 103a bis 103n können basierend auf der magnetischen Domäne des Segments einen variablen Widerstand aufweisen. Wenn sich die magnetische Domäne eines Segments ändert, kann sich der Widerstand dieses Segments ändern. Dementsprechend können die Segmente 103a bis 103n als magnetoresistive Elemente arbeiten, hier jeweils auch als variable Widerstände R1 bis R14 bezeichnet. Die magnetoresistiven Elemente R1 bis R14 können auch als ein nichtflüchtiger magnetischer Speicher fungieren, der magnetisch beschrieben und elektrisch ausgelesen werden kann. Die magnetoresistiven Elemente R1 bis R14 sind gemäß ihrer Auslegung in dem spiralförmigen Magnetstreifen 101 in Reihe miteinander gekoppelt. Eine entsprechende Schaltschemadarstellung 150 zeigt Segmente die 103a bis 103n, die jeweils als in Reihe geschaltete entsprechende magnetoresistive Elemente R1 bis R14 dargestellt werden.
5B ist ein Schemadiagramm, das ein Beispiel für einen magnetischen Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 mit einer Schnittstellenschaltung 206 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Die Schnittstellenschaltung 206 kann Teil der Verarbeitungsschaltung 168 sein. Alternativ kann die Schnittstellenschaltung 206 eine separate Schaltung zwischen der Verarbeitungsschaltung 168 und dem Ausgang des Winkel- und/oder Drehmomentsensors 166 sein. Wie in 2B gezeigt wird, weist der Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 eine erste Wheatstone-Brücke 202 und eine zweite Wheatstone-Brücke 204 auf.
Die erste und zweite Wheatstone-Brücke 202 bzw. 204 können magnetoresistive Elemente, wie zum Beispiel AMR-Elemente, aufweisen, um ein sich drehendes Magnetfeld zu erfassen und einen Drehwinkel zwischen 0 und 360 Grad zu erfassen, der auch einem Winkel zwischen 0 und 2π rad entspricht. Zusätzlich kann jedes AMR-Element unter Verwendung eines AMR-Prozesses auf eine integrierte Schaltung strukturiert werden, derart, dass die erste Wheatstone-Brücke 202 bezüglich der zweiten Wheatstone-Brücke 204 gedreht wird. Indem die erste und zweite Wheatstone-Brücke 202 und 204 bezüglich einander gedreht werden, können der trigonometrische Sinus und Kosinus eines Drehmagnetfelds über einen Bereich von 0 bis 360 Grad bestimmt werden.
Wie in 5B gezeigt wird, sind sowohl die erste als auch die zweite Wheatstone-Brücke 202 bzw. 204 elektrisch an eine Versorgungsspannung VDD und an Masse GND angeschlossen. Wie veranschaulicht wird, empfängt die Schnittstellenschaltung 206 die Spannungen VSIN1 und VSIN2 von den Erfassungsknoten der ersten Wheatstone-Brücke 202 und empfängt Spannungen VCOS1 und VCOS2 von den Erfassungsknoten der zweiten Wheatstone-Brücke 204. Die Spannungen VSIN1, VSIN2, VCOS1 und VCOS2 von 2B können Komponenten der Signale S_A von 1 darstellen. Die Schnittstellenschaltung 206 kann die Spannungen VSIN1 und VSIN2 und die Spannungen VCOS1 und VCOS2 verarbeiten, um mit einem Magnetfeld verbundene Sinus- bzw. Kosinussignale zu bestimmen. Aus den Sinus- und Kosinussignalen kann die Schnittstellenschaltung 206 den Winkel des Magnetfelds zwischen 0 und 360 Grad bestimmen. Bei der Ausführungsform von 5B stellt die Schnittstellenschaltung 206 Singleturn-Winkelausgabedaten ST Output bereit.
Als Beispiele können die Sensoren 4, 5 und 6 verschiedener Figuren, einschließlich 1A, unter Verwendung eines Sensors, wie zum Beispiel des Winkel- und/oder Drehmomentsensors 166 von 5B, bereitgestellt werden. Wie in 5B gezeigt wird, kann jeder dieser Sensoren eine Sinusausgabe (wie zum Beispiel VSIN1 und/oder VSIN2) und eine Kosinusausgabe (wie zum Beispiel VCOS1 und/oder VCOS2) aufweisen, die zusammen ausreichende Informationen über die Richtung des durch den Sensor verlaufenden Magnetfelds zum Erhalt der gewünschten Messungen bereitstellen können.
Der Sensor 11, der beim Verfolgen vollständiger Umdrehungen verwendet wird, kann auch unter Verwendung eines Sensors, wie zum Beispiel eines Winkel- und/oder Drehmomentsensors 166 von 5B, bereitgestellt werden. Bei solchen Ausführungsformen kann eine Steuerung im Sensormodul 13 oder irgendeinem anderen Teil des Systems 50 eine oder mehrere der Ausgaben des den Sensor 11 implementierenden Winkel- und/oder Drehmomentsensors 166 verwenden, um das Passieren (und wahlweise die Richtung) des magnetischen Ziels 12 und somit vollständige (oder halbe oder Viertel-)Umdrehungen der Wellen zu detektieren. Bei anderen Ausführungsformen kann der Sensor 11 unter Verwendung eines Multiturn-Sensors, wie zum Beispiel des Multiturn(MT)-Sensors 100 von 5A, bereitgestellt werden. Bei solchen Ausführungsformen kann der einen Multiturn-Sensor 100 implementierende Sensor 11 Viertel-, halbe oder vollständige Umdrehungen der Wellen magnetisch aufzeichnen. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Sensor 11 weggelassen werden, und eine Steuerung kann die Wellendrehung (über die Sensoren 4 und 5 und die Ziele 1 und 2) überwachen, um den Umdrehungszählwert zu verfolgen. Insbesondere kann die Steuerung detektieren, wann immer sich die Welle durch einen bekannten, kalibrierten oder vorbestimmten 0-Grad-Winkel und in welche Richtung gedreht hat, und einen entsprechenden Umdrehungszählwert aufzeichnen. Der Umdrehungszählwert kann somit über in einer Steuerung oder in einer anderen Komponente des Systems 50 implementierte Software verfolgt werden. Bei einem Multiturn-Sensor kann ein mehr als eine vollständige Umdrehung entsprechender Umdrehungszählwert verfolgt werden.
6 ist ein Prozessflussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren 600 zum Messen von Drehmoment, Drehwinkel und Anzahl von Umdrehungen einer Welle unter Verwendung von Magnetsensoren gemäß einer Ausführungsform. Die Operationen des Verfahrens 600 können wie angemessen in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Das Drehmoment und/oder der Drehwinkel und/oder die Anzahl von Umdrehungen der Welle kann/können unter Verwendung eines oder mehrerer geeigneter Magnetsensoren gemäß jeglichen geeigneten hierin offenbarten Grundzügen und Vorteilen gemessen werden. Das Verfahren 600 beschreibt, wie ein System, wie zum Beispiel das System 50 von 1A, das Magnetfeldsensoren aufweist, Drehmoment, Drehwinkel und/oder Anzahl von Umdrehungen einer Welle messen kann.
Bei Block 602 kann das System den Drehwinkel einer Welle messen. Wie zumindest in Verbindung mit 1A beschrieben wird, kann das System 50 den Drehwinkel unter Verwendung eines Paars magnetischer Ziele, wie zum Beispiel der Ziele 1 und 2, und eines entsprechenden Paars Magnetsensoren 4 und 5 messen. Bei mindestens einigen Ausführungsformen können die magnetischen Ziele 1 und 2 Strukturen aufweisen, die so ausgebildet sind, dass die Ziele 1 und 2 Magnetfelder induzieren, die zur Bestimmung des Drehwinkels der Welle verwendet werden können. Als Beispiel kann das magnetische Ziel 1 n Strukturen aufweisen, die um seinen Umfang angeordnet sind, während das magnetische Ziel 2 n + 1 oder n - 1 Strukturen aufweisen kann, die um seinen Umfang angeordnet sind. Das System kann in der Lage sein, den Drehwinkel der Welle durch Vergleichen von Signalen von den Magnetsensoren 4 und 5 zumindest teilweise aufgrund der unterschiedlichen Konfigurationen der Ziele 1 und 2 zu bestimmen. Weitere Details werden in Verbindung zumindest mit 2A besprochen.
Bei Block 604 misst das System den relativen Drehwinkel, einschließlich seiner Größe und Richtung, zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Welle. Wie zumindest in Verbindung mit 1A beschrieben wird, kann das System 50 den Drehwinkel der ersten Welle 8 bezüglich der zweiten Welle 9, die durch das Torsionselement 10 miteinander gekoppelt sein können, messen. Das System kann die relativen Drehwinkel der Wellen 8 und 9 unter Verwendung eines Paars magnetischer Ziele, wie zum Beispiel der Ziele 2 und 3, und eines entsprechenden Paars Magnetsensoren, wie zum Beispiel der Sensoren 5 und 6, messen. Bei mindestens einigen Ausführungsformen können die magnetischen Ziele 2 und 3 Strukturen, wie zum Beispiel Zahnradzähne, aufweisen, die so ausgebildet sind, dass die Ziele 2 und 3 Magnetfelder induzieren, die zur Bestimmung der Drehung der Welle 8 bezüglich der Welle 9 verwendet werden können. Weitere Details eines Beispiels für die Bestimmung des Wellendrehwinkels werden in Verbindung zumindest mit 2A besprochen.
Bei Block 606 bestimmt das System die Höhe und die Richtung des an die Welle angelegten Drehmoments. Bei mindestens einigen Ausführungsformen können die Wellen 8 und 9 durch ein Torsionselement 10 mit einem Torsionskoeffizienten miteinander gekoppelt sein. Wenn Drehmoment an eine der Wellen 8 oder 9 angelegt wird, kann das Drehmoment durch das Torsionselement 10 übertragen werden, und das Torsionselement kann sich proportional zu der Höhe des Drehmoments verdrehen. Die Richtung der Verdrehung kann durch die Richtung des angelegten Drehmoments bestimmt werden. Das System kann die Höhe des an die Welle angelegten Drehmoments durch Multiplizieren des Torsionskoeffizienten des Torsionselements 10 mit der Größe der relativen Drehung zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Welle, die bei Block 604 bestimmt wurde, bestimmen. Darüber hinaus kann das System die Richtung des angelegten Drehmoments durch Bezug auf die bei Block 604 bestimmte Richtung der relativen Drehung bestimmen.
Bei Block 608 zeichnet das System einen Umdrehungszählwert der Welle auf. Wie zumindest in Verbindung mit 1A beschrieben wurde, kann das System 50 einen Umdrehungszählwert der Wellen 8 und 9 unter Verwendung eines magnetischen Ziels, wie zum Beispiel des Ziels 12, und eines Magnetsensors, wie zum Beispiel des Sensors 11, aufzeichnen. Der Sensor 11 kann ein Multiturn-Zähler sein, der in der Lage ist, den Umdrehungszählwert selbst ohne an den Sensor 11 angelegte Energie aufzuzeichnen. Der Umdrehungszählwert kann mehr als einer vollständigen Umdrehung entsprechen. Der Umdrehungszählwert kann in einigen Fällen durch eine Anzahl von vollständigen Umdrehungen dargestellt werden. Als Alternative dazu kann der Umdrehungszählwert jeglicher geeigneter Anzahl von Teilumdrehungen, wie zum Beispiel Viertelumdrehungen oder halben Umdrehungen, entsprechen.
In den 7A, 7B, 7C und 7B werden Schemadiagramme eines Magnetsensorsystems, das einen Bias-Magneten 700, ein magnetisches Ziel 710 und einen Magnetsensor 720 aufweist, gezeigt. Als Beispiele kann jeder der Sensoren 4, 5 und 7 unter Verwendung eines Sensors, wie zum Beispiel des Magnetsensors 720, bereitgestellt werden, kann der Bias-Magnet 7 als Bias-Magnet 700 (der, falls gewünscht, mehreren Sensoren gemein sein kann) bereitgestellt werden und kann jedes der magnetischen Ziele 1, 2 und 3 unter Verwendung eines magnetischen Ziels, wie zum Beispiel des magnetischen Ziels 710, bereitgestellt werden.
7A zeigt eine Draufsicht und 7B zeigt eine Seitenansicht des Magnetsensorsystems. In der Perspektive von 7A dreht sich das magnetische Ziel 710 um eine Achse, die senkrecht zu der Seite verläuft, wie in den 7A und 7B gezeigt wird, kann der Magnetsensor 720 zwischen dem Bias-Magneten 700 und dem magnetischen Ziel 710 angeordnet sein. Darüber hinaus kann das magnetische Ziel 710 mehrere Strukturen 712 aufweisen, die zahnartige Strukturen sein können. Bei mindestens einigen Ausführungsformen kann der Bias-Magnet 700 so ausgerichtet sein, dass sein Nordpol von dem Magnetsensor und dem magnetischen Ziel weg ausgerichtet ist und sein Südpol zu diesen ausgerichtet ist (oder umgekehrt). Wie in 7B gezeigt wird, ist der Bias-Magnet 700 von dem Magnetsensor 720 versetzt. Diese Anordnung kann ein Bias-Magnetfeld erzeugen.
Die Strukturen 712 des magnetischen Ziels 710 können als Funktion der Drehstellung des magnetischen Ziels 710 bezüglich des Sensors 720 Änderungen des durch den Magnetsensor 720 verlaufenden Magnetfelds induzieren. Der Magnetsensor 720 kann diese Änderungen des Magnetfelds detektieren und anhand der Änderungen einen Drehwinkel einer mit dem magnetischen Ziel gekoppelten Welle bestimmen (zum Beispiel durch Vergleichen von mit zwei verschiedenen magnetischen Zielen durchgeführten Messungen, wie in Verbindung zumindest mit den Zielen 1 und 2 und den Sensoren 4 und 5 von 1A beschrieben) und/oder ein an die Welle angelegtes Drehmoment bestimmen (zum Beispiel durch Vergleichen von mit zwei verschiedenen magnetischen Zielen durchgeführten Messungen, wie in Verbindung zumindest mit den Zielen 2 und 3 und den Sensoren 5 und 6 von 1A beschrieben).
Wie in den 7C und 7D gezeigt wird, kann der Bias-Magnet 700 ein Magnetfeld erzeugen, und das magnetische Ziel 710 kann Änderungen des Magnetfelds induzieren, die mit der Drehstellung des magnetischen Ziels 710 variieren, wobei diese Änderungen des Magnetfelds durch einen oder mehrere Magnetsensoren, wie zum Beispiel den Sensor 720, detektierbar sind. Die 7C und 7D veranschaulichen die Magnetfeldflusslinien dieses Magnetfelds.
Wie in 7C veranschaulicht wird, kann der Magnetsensor 720 bei einigen Ausführungsformen ein einziges Erfassungselement 722 (das zum Beispiel der Winkel- und/oder Drehmomentsensor 166 von 5B sein kann) aufweisen, das in der Lage ist, Änderungen des Magnetfelds (zum Beispiel Änderungen der Richtung der durch den Sensor verlaufenden magnetischen Flusslinien) zu erfassen.
Bei einigen anderen Ausführungsformen kann der Magnetsensor 720, wie in 7D veranschaulicht wird, zwei (oder mehr) Erfassungselemente 722a und 722b aufweisen. Bei solchen Ausführungsformen kann der Magnetsensor 720 die mehreren Erfassungselemente 722a und 722b auf differenzielle Weise verwenden. Mit anderen Worten, der Magnetsensor 720 kann Änderungen des durch den Magnetsensor verlaufenden Magnetfelds durch Bestimmen von Differenzen von Messungen von dem Erfassungselement 722a und Messungen von dem Erfassungselement 722b bestimmen.
Ein Magnetsensor 720 kann mehrere magnetoresistive Streifen auf einem Sensorchip aufweisen. Der Magnetsensor 720 kann unter Verwendung der magnetoresistiven Streifen eine differenzielle Magnetfeldmessung erzeugen. Es können zwei Erfassungsbereiche auf dem Sensorchip vorliegen. Ein Bereich kann für ein Sinussignal bestimmt sein, und der andere Bereich kann für ein Kosinussignal bestimmt sein. Jeder Bereich kann mehrere magnetoresistive Streifen aufweisen. Ein Widerstand einer Brücke kann durch einen oder mehrere der magnetoresistiven Streifen gebildet werden. In einigen Fällen kann ein Widerstand einen magnetoresistiven Streifen in jedem der beiden Bereiche des Sensorchips aufweisen. Die beiden Bereiche der Sensorchips können sich in bestimmten Anwendungen überlappen.
Die hierin offenbarte Technologie kann in verschiedensten elektronischen Systemen implementiert werden. Aspekte der Offenbarung sind auf jegliche Systeme und/oder Vorrichtungen, die von der hierin offenbarten Technologie der magnetischen Erfassung profitieren könnten, anwendbar.
Aspekte dieser Offenbarung können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen implementiert werden. Zum Beispiel können Aspekte dieser Offenbarung in jeglicher elektronischen Vorrichtung oder elektronischen Komponente implementiert werden, die von der hierin offenbarten Technologie profitieren könnte. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können elektronische Verbraucherprodukte, Teile der elektronischen Verbraucherprodukte, elektronische Testgeräte, Fahrzeugelektroniksysteme usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können Rechenvorrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen, elektronische Haushaltsgeräte, elektronische Kraftfahrzeugsysteme, andere Fahrzeugelektroniksysteme, industrielle Steuerelektroniksysteme usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen nicht fertig gestellte Produkte beinhalten.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind die Ausdrücke „aufweisen“, „aufweisend“, „beinhalten“, „beinhaltend“ durchweg in einem einschließenden Sinne aufzufassen, im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinn; das heißt im Sinne von „aufweisen, aber nicht darauf beschränkt“. Der Ausdruck „gekoppelt“, wie er hierin allgemein verwendet wird, verweist auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt miteinander gekoppelt sein können oder durch ein oder mehr Zwischenelemente miteinander gekoppelt sein können. Ebenfalls verweist der Ausdruck „verbunden“, wie er hierin allgemein verwendet wird, auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt verbunden sein können oder durch ein oder mehr Zwischenelemente verbunden sein können. Darüber hinaus sollen sich die Ausdrücke „hierin“, „über“, „unter“ und Ausdrücke mit ähnlicher Bedeutung, soweit sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung in ihrer Gesamtheit und nicht auf irgendwelche bestimmten Teile dieser Anmeldung beziehen. Wo es der Zusammenhang gestattet, können Ausdrücke in der obigen detaillierten Beschreibung, die in der Einzahl oder Mehrzahl verwendet werden, auch die Mehrzahl bzw. Einzahl einschließen. Der Ausdruck „oder“ in Bezug auf eine Liste mit zwei oder mehr Bestandteilen soll allgemein alle der folgenden Interpretationen des Ausdrucks abdecken: ein beliebiger Bestandteil der Liste, alle Bestandteile der Liste und jegliche Kombination von Bestandteilen der Liste.
Darüber hinaus sollen hierin verwendete konditionale Formulierungen wie unter anderem „können“, „könnte“, „dürfte“, „möglicherweise“, „z. B.“, „zum Beispiel“, „wie etwa“ und dergleichen, sofern nicht speziell anders angegeben oder in dem Kontext, der verwendet wird, anderweitig zu verstehen, in der Regel vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände aufweisen, während andere Ausführungsformen diese nicht aufweisen. Somit sollen solche konditionalen Formulierungen in der Regel nicht bedeuten, dass Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind, oder dass eine oder mehrere Ausführungsformen zwangsweise eine Logik zum Entscheiden, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner bestimmten Ausführungsform enthalten sind oder durchgeführt werden sollen, aufweisen.
Obgleich bestimmte Ausführungsformen der Erfindungen beschrieben worden sind, sind diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft dargeboten worden und sollen den Schutzumfang dieser Offenbarung nicht einschränken. Tatsächlich können die neuartigen Verfahren, Einrichtungen und Systeme, die hierin beschrieben werden, in einer Vielzahl anderer Formen ausgeführt werden; des Weiteren können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen an der Form der hier beschriebenen Verfahren, Einrichtungen und Systeme vorgenommen werden, ohne von dem Wesen der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können hierin beschriebene Schaltungsblöcke und/oder Schaltungselemente gestrichen, verschoben, hinzugefügt, unterteilt, kombiniert und/oder modifiziert werden. Jeder bzw. jedes dieser Schaltungsblöcke und/oder Schaltungselemente kann auf verschiedenste Weise implementiert werden. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalente sollen jegliche solche Formen oder Modifikationen, wie sie unter den Schutzumfang und das Wesen der Offenbarung fallen, mit abdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62625912 [0001]

Claims

Magnetisches Drehmomentsensorsystem, aufweisend: mindestens einen Bias-Magneten, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Magnetfeld zu erzeugen, Magnetsensoren, die einen ersten Magnetsensor, der für durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, und einen zweiten Magnetsensor, der für durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, aufweisen; und eine mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor in Verbindung stehende Verarbeitungsschaltung, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgebildet ist: eine Drehung des ersten magnetischen Ziels bezüglich des zweiten magnetischen Ziels basierend auf einer Ausgabe von dem ersten Magnetsensor und einer Ausgabe von dem zweiten Magnetsensor zu messen; und Drehmomentinformationen, die mit einer Höhe eines an eine Welle angelegten Drehmoments verbunden sind, basierend auf der gemessenen Drehung des ersten magnetischen Ziels bezüglich des zweiten magnetischen Ziels zu erzeugen.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach Anspruch 2, wobei das erste magnetische Ziel ein erstes Zahnrad aufweist, und wobei das zweite magnetische Ziel ein zweites Zahnrad, das die gleiche Anzahl von Zähnen wie das erste Zahnrad hat, aufweist.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach den Ansprüchen 2 oder 3, wobei das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel die gleiche Anzahl von magnetischen Strukturen aufweisen.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, ferner aufweisend eine Welle, die einen mit dem ersten magnetischen Ziel gekoppelten ersten Wellenteil und einen mit dem zweiten magnetischen Ziel gekoppelten zweiten Wellenteil aufweist, wobei der erste Wellenteil und der zweite Wellenteil dazu ausgebildet sind, sich bezüglich einander zu drehen.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach Anspruch 5, ferner aufweisend ein Torsionselement, das zum Koppeln des ersten Wellenteils mit dem zweiten Wellenteil angeordnet ist, wobei das Torsionselement dazu ausgebildet ist, sich in einem Ausmaß zu verdrehen, das von der Höhe des an die Welle angelegten Drehmoments abhängig ist.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend einen dritten Magnetsensor, der für durch ein drittes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, wobei die Verarbeitungsschaltung ferner dazu ausgebildet ist: eine Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem dritten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu detektieren; und Wellendrehwinkelinformationen, die mit einem Drehwinkel der Welle verbunden sind, basierend auf der detektierten Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem dritten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu erzeugen.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach Anspruch 7, ferner aufweisend das erste magnetische Ziel und das dritte magnetische Ziel, wobei das erste magnetische Ziel ein erstes Zahnrad aufweist, und wobei das dritte magnetische Ziel ein drittes Zahnrad, das eine andere Anzahl von Zähnen als das erste Zahnrad hat, aufweist.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach den Ansprüchen 7 oder 8, ferner aufweisend das erste magnetische Ziel und das dritte magnetische Ziel, wobei das erste magnetische Ziel und das dritte magnetische Ziel eine unterschiedliche Anzahl von magnetischen Strukturen haben.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach den Ansprüchen 7, 8 oder 9, ferner aufweisend einen vierten Magnetsensor, der für durch ein viertes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist, wobei die Verarbeitungsschaltung ferner dazu ausgebildet ist, einen Umdrehungszählwert der Welle basierend auf einer oder mehreren Messungen von dem vierten Magnetsensor zu erzeugen.
Magnetisches Drehmomentsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Magnetsensor ein magnetoresistiver Sensor ist.
Magnetsensorsystem, aufweisend: mindestens einen Bias-Magneten, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Magnetfeld zu erzeugen; einen ersten Magnetsensor, der für durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen Magnetfelds empfindlich ist; einen zweiten Magnetsensor, der für eine durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte zweite Änderung des Magnetfelds empfindlich ist; und eine Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor in Verbindung steht, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgebildet ist: eine Differenz zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu detektieren; und Wellendrehwinkelinformationen, die mit einem Drehwinkel einer Welle verbunden sind, basierend auf den detektierten Differenzen zwischen von dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor erhaltenen Messungen zu erzeugen.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 12, ferner aufweisend das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 13, wobei das erste magnetische Ziel ein erstes Zahnrad aufweist, und wobei das zweite magnetische Ziel ein zweites Zahnrad, das eine andere Anzahl von Zähnen als das erste Zahnrad hat, aufweist.
Magnetsensorsystem nach den Ansprüchen 13 oder 14, wobei das erste magnetische Ziel und das zweite magnetische Ziel unterschiedliche Anzahlen von magnetischen Strukturen aufweisen.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner aufweisend einen Multiturn-Magnetsensor, wobei der Prozessor dazu ausgebildet ist, einen Umdrehungszählwert, der mehr als einer Umdrehung der Welle entspricht, basierend auf einer Ausgabe des Multiturn-Magnetsensors auszugeben.
Verfahren zum Messen von an eine Welle, die einen ersten und einen zweiten Wellenteil, die miteinander gekoppelt sind, aufweist, angelegtem Drehmoment, aufweisend: Erhalten einer mit der Drehung des ersten Wellenteils verbundenen ersten Magnetfeldmessung von einem ersten Magnetsensor, wobei die erste Magnetfeldmessung durch ein erstes magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen durch mindestens einen Bias-Magneten erzeugten Magnetfelds dargestellt ist; Erhalten einer mit einer Drehung des zweiten Wellenteils verbundenen zweiten Magnetfeldmessung von einem zweiten Magnetsensor, wobei die zweite Magnetfeldmessung durch ein zweites magnetisches Ziel induzierte Änderungen des mindestens einen durch den mindestens einen Bias-Magneten erzeugten Magnetfelds dargestellt ist; und Erzeugen einer Messung des an die Welle angelegten Drehmoments basierend auf der ersten Magnetfeldmessung und der zweiten Magnetfeldmessung mit einer Verarbeitungsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner aufweisend Erzeugen von Wellendrehwinkelinformationen basierend auf einer Differenz zwischen der zweiten Magnetfeldmessung und einer dritten Magnetfeldmessung mit der Verarbeitungsschaltung.
Verfahren nach den Ansprüchen 17 oder 18, ferner aufweisend Erzeugen eines mit mehr als einer Umdrehung der Welle in Verbindung stehenden Umdrehungszählwerts basierend auf einer Ausgabe von einem Multiturn-Magnetsensor mit der Verarbeitungsschaltung.
Verfahren nach den Ansprüchen 17, 18 oder 19, ferner aufweisend Bereitstellen der Drehmomentmessung für eine zum Steuern eines Lenksystems angeordnete Steuerung einer elektrischen Servolenkung.