DE102021209023A1

DE102021209023A1 - Induktiver drehmomentsensor für drehwellen

Info

Publication number: DE102021209023A1
Application number: DE102021209023.0A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-02-24
Also published as: US11940342B2; KR20220022457A; CN114076650A; US20220057281A1; KR102562969B1

Abstract

Die beschriebenen Techniken sind auf induktive Drehmomentsensoren gerichtet, die unabhängige Zielspulen- und Aufnahmespulensysteme implementieren. Durch Verwendung der verschiedenen Prinzipien von induktiven Winkelsensoren und infolge der spezifischen physischen Anordnung von Zielspulen kann der induktive Drehmomentsensor unabhängig eine Drehposition (d.h. einen mechanischen Winkel) der drehbaren Antriebswelle über ein Aufnahmespulensystem und eine Drehposition (d.h. einen mechanischen Winkel) der drehbaren Abtriebswelle über ein anderes Aufnahmespulensystem erhalten. Eine Kombiniererschaltungsanordnung ist ebenfalls vorgesehen, um den Torsionswinkel unter Verwendung der in jedem von zwei separaten Aufnahmespulensystemen induzierten Signale zu berechnen. Durch Verwendung unterschiedlicher k-fache-Symmetrie-Periodizitäten in den Zielspulen bezüglich der Spulenkonfigurationen verringert oder eliminiert der induktive Drehmomentsensor vorteilhafterweise eine gegenseitige Kopplung zwischen den verschiedenen Zielspulensystemen und liefert eine Robustheit gegenüber Streu- oder externen elektromagnetischen Feldern.

Description

Hierin beschriebene Aspekte beziehen sich allgemein auf Drehmomentsensoren und insbesondere auf Drehmomentsensoren, die induktive Winkelsensoren implementieren.
Für bestimmte Anwendungen ist es nützlich, das übertragene Drehmoment, das einer drehbaren Welle zugeordnet ist, zu messen. Drehmomentsensoren, die Messwandler sind, die eine mechanische Torsionseingabe in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln, können herkömmlicherweise für diesen Zweck verwendet werden. Derartige herkömmliche Drehmomentsensoren sind jedoch teuer und können fehlende Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweisen. Deshalb sind aktuelle Drehmomentsensoren unzureichend.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehmomentsensor und ein Drehmomentsensorsystem bereitzustellen, die verbesserte Charakteristika aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch einen Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1 und ein Drehmomentsensorsystem gemäß Anspruch 14 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erörtert:

1 veranschaulicht ein Beispiel einer Architektur eines herkömmlichen induktiven Winkelsensors.
2 veranschaulicht ein Beispiel von Hüllkurven von amplitudenmodulierten Spannungen, die in den beiden Empfangsspulen, wie sie in 1 gezeigt sind, für variierende Drehwinkel des Rotors nach einer Demodulation von einer Trägerfrequenz induziert werden.
3 veranschaulicht ein Beispiel von linearen Phasenwinkelveränderungen gegenüber Winkelverschiebungsspannungen in den beiden Empfangsspulen, wie sie in 1 gezeigt sind, für variierende Drehwinkel des Rotors.
4A veranschaulicht eine beispielhafte Wicklung einer der Empfangsspulen, wie sie in 1 gezeigt sind.
4B veranschaulicht ein Beispiel der Empfangsspulen, wie sie in 1 gezeigt sind, die in Bezug zu einander gedreht werden, um einen Phasenversatz zwischen ihren induzierten Spannungssignalen nach einer Amplitudendemodulation von einer Trägerfrequenz zu bewirken.
5 veranschaulicht ein Beispiel der Erzeugung verschiedener Signale, die der Architektur von herkömmlichen zweiphasigen induktiven Winkelsensoren zugeordnet sind, über die Zeit hinweg.
6 veranschaulicht ein Beispiel von Empfangsspulen, die einen Teil eines dreiphasigen Aufnahmespulensystems (engl.: pickup coil system) bilden, die in Bezug zu einander gedreht werden, um einen Phasenversatz zwischen ihren induzierten Spannungssignalen zu bewirken.
7 veranschaulicht ein Beispiel der Erzeugung verschiedener Signale, die der Architektur von herkömmlichen induktiven Winkelsensoren der 1 zugeordnet sind, über die Zeit hinweg, unter Verwendung des dreiphasigen Aufnahmespulensystems, wie es in 6 gezeigt ist.
8 veranschaulicht ein Beispiel eines induktiven Winkelsensorsystems, das gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung verwendet wird.
9 veranschaulicht ein Beispiel einer induktiven Winkelsensorschaltungsanordnung, die mit dem induktiven Winkelsensorsystem der 8 verwendet wird, das gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung verwendet wird.
10A veranschaulicht ein beispielhaftes induktives Drehmomentsensorsystem, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
10B veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes induktives Drehmomentsensorsystem, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
11A, 11B veranschaulichen ein Blockdiagramm einer beispielhaften induktiven Drehmomentsensorsystem-Schaltungsanordnung, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
12A-12D veranschaulichen Messungen, die zum Berechnen des Torsionswinkels verwendet werden, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
13 veranschaulicht einen beispielhaften Inhalt einer Nachschlagtabelle (LUT, lookup table), um den Torsionswinkel zu berechnen, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung.

Die beispielhaften Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnung, bei der ein Element zuerst erscheint, wird üblicherweise durch die ganz linke(n) Ziffer(n) in dem entsprechenden Bezugszeichen angegeben.
Wiederum sei erwähnt, dass herkömmliche Drehmomentsensoren kostspielig sein und mangelnde Robustheit gegenüber elektromagnetischen Feldern aufweisen können. Somit gehen die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele diese Probleme an, indem sie die Verwendung induktiver Winkelsensoren zum Messen eines Drehmomentwinkels zwischen sich drehenden Wellen oder beliebiger anderer geeigneter Komponenten, die zur Übertragung eines messbaren Drehmoments führen können, wirksam einsetzen. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nutzen die Prinzipien induktiver Winkelsensoren zum Messen des Drehmoments, das durch eine drehbare Antriebswelle übertragen wird, die als Teil einer Architektur induktiver Winkelsensoren verwendet wird. Die hierin beschriebenen ,Ausführungsbeispiele von induktiven Drehmomentsensoren sind kostengünstig, präzise und insbesondere bezüglich elektromagnetischer Störungen robust.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele implementieren eine physische Anordnung zwischen einer drehbaren Antriebswelle und einer drehbaren Abtriebswelle, die eine gemeinsame Mittelachse aufweisen und aneinander gekoppelt sind, um ein Torsionselement zu bilden. Infolge dieser Kopplung können sich die drehbare Antriebswelle und die drehbare Abtriebswelle gegeneinander verdrehen, um einen Torsionswinkel zu bilden, wodurch die Übertragung von Drehmoment angegeben wird. Der Torsionswinkel ist ein Bruchteil der insgesamt über 360 Grad erfolgenden Drehung der drehbaren Antriebswelle (z. B. ± 5 Grad) und gibt sowohl eine Größe als auch eine Richtung des übertragenen Drehmoments an, die proportional zu diesem Torsionswinkelwert ist. Somit können Zielspulen koaxial an der gemeinsamen Mittelachse der drehbaren Antriebswelle und der drehbaren Abtriebswelle angebracht werden, wobei eine Zielspule an einem Abschnitt der drehbaren Antriebswelle angebracht ist und eine andere Zielspule an der drehbaren Abtriebswelle angebracht ist.
Wie nachstehend näher erörtert wird, können die hierin erörterten Ausführungsbeispiele von induktiven Drehmomentsensoren unabhängige Leistungsspulen-, Zielspulen- und Aufnahmespulensysteme implementieren. Indem die verschiedenen Prinzipien von induktiven Winkelsensoren genutzt werden, und infolge der zuvor erwähnten Anordnung von Zielspulen können die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele von induktiven Drehmomentsensoren unabhängig eine Drehposition (d. h. einen mechanischen Winkel) der drehbaren Antriebswelle über ein Aufnahmespulensystem erlangen, und eine Drehposition (d. h. einen mechanischen Winkel) der drehbaren Abtriebswelle über ein anderes Aufnahmespulensystem erlangen. Eine Kombinierschaltungsanordnung ist ebenfalls vorgesehen, um den Torsionswinkel unter Verwendung der Signale zu berechnen, die über jede jeweilige Zielspule in jedem der getrennten Aufnahmespulensysteme induziert werden. Überdies kann durch Verwendung von verschiedenen k-fache Symmetrie-Periodizitäten in den Zielspulen bezüglich der Spulenkonfigurationen die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele von Drehmomentsensoren vorteilhafterweise eine gegenseitige Kopplung zwischen den verschiedenen Zielspulensystemen verringern oder eliminieren und eine Robustheit gegenüber Streu- oder externen elektromagnetischen Feldern bereitstellen.
Bei der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Jedoch wird Fachleuten einleuchten, dass die Aspekte, einschließlich Strukturen, Systemen und Verfahren, ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. Die Beschreibung und Darstellung hierin sind die gemeinsamen Mittel, die durch Fachleute auf dem Gebiet verwendet werden, um die Essenz ihrer Arbeit anderen Fachleuten am effektivsten zu vermitteln. In anderen Fällen wurden hinreichend bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungsanordnungen nicht ausführlich beschrieben, um ein unnötiges Vernebeln von Aspekten der Offenbarung zu vermeiden.
Einführung in das Konzept einer k-fachen Symmetrie
Die hierin erörterten Ausführungsbeispiele beziehen sich oft auf das Konzept der Rotationssymmetrie. Deshalb ist eine kurze Einführung dieses Konzepts berechtigt, bevor die zusätzlichen Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele weiter unten erläutert werden. Rotationssymmetrie ist eine Eigenschaft, die erklärtermaßen vorhanden ist, wenn eine Gestalt nach einer gewissen Rotation um eine Teildrehung um die Mittel- oder gemeinsame Achse dieser Gestalt herum noch genauso aussieht. Mit anderen Worten ist der Grad der Rotationssymmetrie eines Objekts die Anzahl von gesonderten Orientierungen, in denen es für jede Rotation genau gleich aussieht. Man sagt, dass eine Gestalt eine k-fache Symmetrie oder eine Periodizität k aufweist, falls die Gestalt (in zwei Abmessungen) um $\frac{360 \cdot n}{k}$
um eine Achse herum gedreht werden kann, wobei n eine beliebige Ganzzahl ist, so dass sie gleich aussieht. Beispielsweise weist eine gleichmäßige geometrische Pentagongestalt eine k-fache Symmetrie oder Periodizität 5 auf, da jede Rotation des gleichmäßigen Pentagons um 72 Grad das gleichmäßige Pentagon nicht verändert, wenn es aus derselben Perspektive betrachtet wird.
Einführung in das Konzept astatischer Spulen
Die hierin erörterten Ausführungsbeispiele beinhalten auch die Verwendung astatischer Spulen. Somit ist auch eine Einführung in den Begriff „astatisch‟ klug, bevor weitere Einzelheiten bezüglich der Funktionsweise der Ausführungsbeispiele bereitgestellt werden. Eine gewickelte Spule, die hierin beispielhaft, jedoch nicht als Einschränkung, als zweidimensional beschrieben wird, gilt als „astatisch‟, falls für Änderungen des homogenen Magnetflusses, der induktiv mit dieser Spule gekoppelt ist, keine Spannung induziert wird. Mit anderen Worten wird in der Gegenwart eines homogenen Magnetfelds, das durch eine beispielhafte Spule A bereitgestellt wird, die induktiv mit einer beispielhaften astatischen Spule B gekoppelt ist, in der Spule B ansprechend auf Änderungen in dem durch die Spule A bereitgestellten homogenen Feld keine elektromotorische Kraft induziert. Jedoch wird allgemein in dem Fall, dass die Spule A einen inhomogenen Magnetfluss bereitstellt und sich anschließend verändert, üblicherweise eine Spannung in der Spule B induziert.
Induktive Winkelsensorsysteme
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Architektur eines herkömmlichen induktiven Winkelsensors. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Statorabschnitt drei Spulen: eine Erregerspule 102 (auch als „Aussender‟-, „Leistungs‟- oder „Antriebs“-Spule bezeichnet) und zwei Empfangsspulen 104, 106 (auch als „Aufnahme“-Spulen bezeichnet), die einen Teil eines Gesamt-Aufnahmespulensystems darstellen. Der Rotorabschnitt, der sich bezüglich des Statorabschnitts frei dreht, ist aus einem leitfähigen Material (z. B. Aluminium) hergestellt und weist bei diesem Beispiel eine dreifache Symmetrie oder Periodizität auf.
Um die Drehposition (d. h. den Winkel) des Rotors 101 zu bestimmen, wird die Erregerspule 102 üblicherweise mit einer Sinusspannung in der Größenordnung von 1 V bei einer Frequenz der Größenordnung einiger weniger Megahertz (z. B. 4 MHz) versorgt. Dies erzeugt ein magnetisches Wechselfeld (das primäre Magnetfeld) an dem Ziel (dem leitfähigen Rotor 101), was wiederum bewirkt, dass an dem Rotor 101 Wirbelströme fließen. Diese Wirbelströme führen zur Erzeugung eines weiteren Magnetfelds (eines sekundären Magnetfelds), das induktiv mit den Empfangsspulen 104, 106 gekoppelt ist, was eine induzierte Spannung an jeder der Empfangsspulen 104, 106 bewirkt. Diese induzierten Spannungen können über die Verbindungspunkte, wie sie in 1 gezeigt sind, gemessen werden, und sind amplitudenmodulierte Signale. Das heißt, die an jeder der Empfangsspulen 104, 106 induzierten Spannungen weisen eine Trägerfrequenz der steuernden Sinusspannung (z. B. 4 MHz) auf, ihre Amplitude hängt jedoch von der Drehposition des Rotors 101 ab.
Hüllkurven der induzierten Signale, die an den Verbindungsanschlüssen der Empfangsspulen 104, 106 bereitgestellt werden, können anschließend mit einem phasensynchronen Demodulator extrahiert und mit der Drehposition des Rotors 101 in Bezug gebracht werden. Ein Beispiel der Hüllkurven, die die Variation der induzierten Spannungen an jeder der Empfangsspulen 104, 106 als Funktion des Winkels des sich drehenden Rotors 101 darstellen, sind in 2 gezeigt. Mit anderen Worten stellen die Spannungssignale U1, U2, wie sie in 2 gezeigt sind, Signale nach der Demodulation von der Trägerfrequenz dar, so dass die Spannungen U1, U2 die Hüllkurven einer amplitudenmodulierten Spannung sind, die in den Empfangsspulen 104, 106 induziert wird. Um die Drehposition des Rotors 101 zu bestimmen, sind zumindest zwei Empfangsspulen vonnöten. Die Drehposition kann anschließend über die Arkustangensfunktion (Arctan-Funktion) ausgehend von beiden Hüllkurven berechnet werden, die gemäß den relativen Positionen der Spulen in Bezug zu einander phasenverschoben sind. Das Ergebnis der Extraktion der Phaseninformationen aus den zwei Empfangsspulen 104, 106 liefert den Phasenwinkel als Funktion des Winkels des Rotors 101, wie in 3 gezeigt ist.
Die Empfangsspulen 104, 106 (hierin auch als U1 bzw. U2 bezeichnet) sind auf den Rotor 101 abgestimmt, wobei bei diesem Beispiel jede eine 3-fache Symmetrie oder Periodizität aufweist. Die Empfangsspulen 104, 106 können jeweils eine Anzahl von Wicklungen umfassen, bei denen jede zweite Schleife in einer anderen Richtung gewickelt ist. Wenn die Empfangsspule 104 als Beispiel verwendet wird, umfasst die Empfangsspule 104 insgesamt sechs mit einem Zwischenraum versehene Wicklungen, wobei jede 60 Grad überspannt. Somit kann jede einzelne Wicklung einen Stromfluss in einer Richtung induzieren, die zu einer benachbarten Wicklung entgegengesetzt ist. Ein Beispiel der Architektur einer der Empfangsspulen 104, 106 ist in 4A ausführlicher gezeigt, bei der die Richtung jeder benachbarten Wicklung durch die ebenfalls vorhandenen Pfeile gezeigt ist. Die andere Empfangsspule 106 ist auf ähnliche Weise wie die Empfangsspule 104 aufgebaut. Diese Orientierung der Empfangsspulen 104, 106 hebt homogene äußere Störungen und symmetrische Störungen von der Erregerspule auf. Somit fungieren die Empfangsspulen 104, 106 als astatische Spulen, da sie homogene Magnetfelder aufheben. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die Empfangsspulen 104, 106 jeweils sechs Wicklungen aufweisen, die k-fache Periodizität jeder Spule aufgrund der astatischen Beschaffenheit der Empfangsspulen 104, 106 in der Tat k=3 beträgt. Das heißt, jede der Empfangsspulen 104, 106 müsste um 120 Grad gedreht werden, um zu gewährleisten, dass die Spule aus derselben Perspektive identisch ist, da eine Drehung von 60 Grad die Empfangsspulen 104, 106 mit einer Wicklung in der entgegengesetzten Richtung darstellen würde.
Die Empfangsspulen 104, 106 bilden somit ein zweiphasiges Aufnahmespulensystem, mit einer Phase pro Empfangsspule. Die Empfangsspulen 104, 106 sind in einer Umfangsrichtung derart voneinander versetzt, dass die Empfangsspulen in Bezug zu einander in einem Ausmaß gedreht werden, das zu der Periodizität der Rotationssymmetrie proportional ist. Genauer gesagt werden die Empfangsspulen um $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k})$
in Bezug zu einander gedreht, wobei N die Anzahl von Empfangsspulen ist und k die k-fache Symmetrie ist. Bei dem in 4B gezeigten Beispiel werden die Spulen um ein Viertel der Periodizität der Rotationssymmetrie, oder 30 Grad, in Bezug zu einander gedreht. Dies führt dazu, dass die induzierten Signale jeder jeweiligen Empfangsspule 104, 106 um 90 Grad voneinander phasenverschoben sind. Infolge dieser Beziehung kann die Empfangsspule 104 als Cosinusspule bezeichnet werden, und die Empfangsspule 106 kann als Sinusspule bezeichnet werden.
Ein Beispiel der verschiedenen Signale, die der zweiphasigen Empfangsspule wie beispielsweise der in 1 gezeigten, die die zwei Empfangsspulen 104, 106 aufweist, zugeordnet sind, ist in 5 gezeigt. Der Graph in 5 gab auf der x-Achse die Zeit von 0 bis 18 µs an. Der in dem Rotor 101 gezeigte Strom stellt den infolge einer Erregung über die Erregerspule 102 induzierten Wirbelstrom dar. Das dem Rotor 101 zugeordnete Stromsignal schwingt bei derselben Frequenz wie das durch die Erregerspule 102 verwendete Schwingungssignal (bei diesem Beispiel 1 MHz) und weist eine konstante Amplitude und einen Mittelwert null auf. Man nimmt an, dass der Rotor 101 mit einer Geschwindigkeit von 360°/100 µs gedreht wird, was eine sehr hohe Geschwindigkeit von 6*10^5 U/min ist (der Sichtbarkeit von Signalen in der Darstellung halber). Die Signale amU1 und amU2 entsprechen der Amplitude der Spannungen, die in den beiden jeweiligen Empfangsspulen 104, 106 induziert werden, die wiederum identisch sind und eine 3-fache Symmetrie (wie der Rotor 101) aufweisen, jedoch um 30 Grad in Bezug zu einander gedreht werden. Somit werden, wie in 5 gezeigt ist, die Amplitudensignale von Empfangsspulen 104, 106 in dieser Position in der Domäne des elektrischen Winkels um 90° zueinander phasenverschoben. Folglich sind diese Signale amU1 und amU2 nur dann phasengleich, wenn die Signale U1 und U2 dasselbe Vorzeichen aufweisen - anderenfalls sind sie um 180° phasenverschoben. Die Signale amU1 und amU2 sind (gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz) bezüglich des Stroms in dem Rotor 101 ebenfalls um 90° verschoben und sind amplitudenmoduliert, jedoch mit einem Mittelwert null. Eine Schaltung (z. B. ein phasenkohärenter Demodulator) kann somit die Amplitudeninformationen von den Signalen amU1 und amU2 demodulieren, um die „oberen“ Teile der Hüllkurven bereitzustellen, was die Signale U1 bzw. U2 ergibt, wie gezeigt ist. Da die Signale U1, U2 einen verschwindenden Mittelwert aufweisen, muss die Sensorschaltung sie nicht subtrahieren, da diese Signale bereits astatisch und somit robust gegenüber Streufeldern sind.
Das in 1 gezeigte beispielhafte induktive Winkelsensorsystem verwendet insgesamt zwei Empfangsspulen 104 und 106 und stellt somit ein Zweiphasensystem dar, das eine Cosinus- und eine Sinusspule aufweist, die jeweilige induzierte Spannungssignale mit einem Phasenversatz zueinander bereitstellen, der auf den Drehversatz zwischen den Empfangsspulen 104, 106 bezogen ist. Jedoch können herkömmliche induktive Winkelsensoren Aufnahmespulen verwenden, die mehr als zwei Empfangsspulen aufweisen, beispielsweise drei Empfangsspulen. In so einem Fall kann das Empfangsspulensystem ein dreiphasiges Signalsystem bereitstellen, und die drei Empfangsspulen können statt Sinus- und Cosinusspulen des oben erörterten Zweiphasensystems als U-, V- und W-Spulen bezeichnet werden.
Für ein Dreiphasensystem (oder allgemeiner gesagt, wenn die Anzahl von Aufnahmespulen innerhalb eines Aufnahmespulensystems eine ungerade Anzahl von 3 oder mehr ist) muss nicht jede Empfangsspule astatisch sein. Eine Schaltung kann die Differenz zwischen Signalen, die von den verschiedenen Paaren der drei Empfangsspulen induziert werden, z. B. (U-V), (V-W) und (W-U), ableiten. Herkömmlicherweise sind alle der drei Empfangsspulen bezüglich ihrer Form identisch, werden jedoch um $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k})$
in Bezug zu einander gedreht, wobei N die Anzahl von Empfangsspulen ist und k die k-fache Symmetrie der Empfangsspule ist. Falls beispielsweise der Rotor 101, wie er in 1 gezeigt ist, eine k-fache Symmetrie von k=6 (statt k=3, wie gezeigt) aufweist, kann jede der Empfangsspulen 602 (U), 604 (V) und 606 (W) auch eine Periodizität aufweisen, die auf die des Rotors 101 abgestimmt ist, wie in 6 gezeigt ist (d. h. k=6, weil die in 6 gezeigten U-, V-, W-Spulen nicht astatisch sind). Wenn man dieses Beispiel fortsetzt, wird jede der Empfangsspulen 602, 604, 606 um $\frac{1}{3} (\frac{360 °}{6})$
oder 20 ° in Bezug zu einander gedreht. Im Einzelnen wird die zweite Empfangsspule 604 um 360°/ 18=20° bezüglich der ersten Empfangsspule 602 gedreht, und die dritte Empfangsspule 606 wird um 20° bezüglich der zweiten Empfangsspule 604 gedreht. Somit sind für dieses Dreiphasensystem dann, wenn der Rotor 101 mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird, die Signale in den Spulen 602, 604, 606 sinusförmig mit einer Phasenverschiebung von 360°/3 = 120°. Wenn sich der Rotor um 360° (mechanischer Winkel) dreht, zeigt die Hüllkurve der Signale eine Anzahl von Perioden, die der k-fachen Symmetrie des Rotors 101 zugeordnet sind, was bei diesem Beispiel 3 ist. Falls man den Arctan des Verhältnisses zweier derartiger Signale mit einer Phasenverschiebung von 120° zueinander berechnet, variiert das Ergebnis um k*360° (wobei k die Periodizität des Rotors 101 ist), was 1080° (elektrischer Winkel) ergibt. Beispielsweise, wie in 7 gezeigt ist und ähnlich der Berechnung in 5 für das Zweiphasensystem, kann die Drehposition des Rotors 101 über die Arctan-Funktion ausgehend von jeder der drei Hüllkurven berechnet werden. Beispielsweise können zwei Zwischensignale S1, S2 unter Verwendung von S1 = Quadratwurzel(3)*(U-V) und S2 = U+V-(2W) berechnet werden. Die Drehposition des Rotors 101 kann dann über die Berechnung von arctan2(S1; S2)/6 berechnet werden.
Ein Beispiel der verschiedenen Signale, die der dreiphasigen Empfangsspule wie beispielsweise der in 6 gezeigten, die die drei Empfangsspulen 602, 604, 606 aufweist, zugeordnet sind, ist in 7 gezeigt. Der Graph in 7 gibt auf der x-Achse die Zeit von 0 bis 18 µs an, ähnlich dem in 5 für das Zweiphasensystem gezeigten Graphen. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 7 ist der Strom in dem Rotor 101 wiederum der Wirbelstrom in dem Rotor 101, der durch die (nicht gezeigte) Erregerspule erregt wird. Wenn man von einem Schwingungssignal von 1 MHz ausgeht, weist der Strom in dem Rotor 101 eine konstante Amplitude und einen Mittelwert null auf. Wiederum wird angenommen, dass sich der Rotor 101 mit einer Geschwindigkeit von 360°/100 µs dreht, derselben Geschwindigkeit, wie sie oben unter Bezugnahme auf das in 5 gezeigte Zweiphasensystem erörtert wurde. Die Signale amU, amV, amW sind die Spannungen, die in den drei Empfangsspulen 602 (U), 604 (V) und 606 (W) induziert werden, die identisch sind und eine 6-fache Symmetrie aufweisen. Die Signale U, V, W werden durch eine Amplitudendemodulation induzierter Signale amU, amV bzw. amW erhalten. Aufgrund des Drehversatzes von 20° zwischen den Empfangsspulen 602, 604 und 606, wie oben gezeigt und unter Bezugnahme auf 6 erörtert wurde, sind die Signale U, V, W in dem Winkelbereich um 120° phasenverschoben (der elektrische Winkel beträgt das 6-Fache des mechanischen Winkels).
Die Spannungssignale amU, amV und amW sind alle phasengleich, jedoch um 90° bezüglich des Stroms in dem Rotor 101 (gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz) verschoben. Die Spannungen amU, amV, amW sind amplitudenmoduliert und weisen somit eine Trägerfrequenz mit einer Amplitude auf, die sich gemäß der Drehposition des Rotors 101 ändert. Eine geeignete Schaltung demoduliert die Amplitudeninformationen, was die (oberen positiven Teile der) Hüllkurven ergibt, d. h. die Signale U, V und W, wie gezeigt ist. Die Signale U, V und W weisen einen nicht-verschwindenden Mittelwert auf. Deshalb können die Signale U, V und W über eine nicht-synchrone Demodulation erhalten werden, was im Vergleich zu einer synchronen Demodulation ein weniger mühsamer Vorgang ist. Außerdem weist jedes der Signale U, V und W denselben Mittelwert auf. Eine ebenfalls vorhandene Sensorschaltung subtrahiert U-V, V-W und W-U, wodurch sie diesen Mittelwert aufhebt, so dass lediglich die Sinusvariation von U, V und W gegenüber dem Drehwinkel verbleibt. Die Signale amU, amV, amW sind nicht robust gegenüber einem Streufeld (d. h. nicht astatisch). Dies bedeutet, dass Änderungen des umgebenden Magnetflusses auch Spannungen bei amU, amV, amW induzieren. Da jedoch die Empfangsspulen 602, 604, 606 identisch sind und lediglich in Bezug zu einander gedreht werden, sind homogene Störungen in jeder der Empfangsspule identisch und heben sich nach Subtraktion U-V, V-W, W-U auf. Man beachte, dass es zwei Optionen gibt: ein Sensorsystem kann amU, amV, amW zuerst demodulieren und anschließend U-V, V-W, W-U subtrahieren; oder es kann zuerst amU-amV, amV-amW, amW-amU subtrahieren und diese Differenzen demodulieren. Bei dem Graph, der in 7 gezeigt ist, ist der leichteren Erläuterung halber die erste Vorgehensweise gezeigt, obwohl in der Praxis auch die zweite Vorgehensweise implementiert werden kann.
Induktives Winketsensorsystem gemäß den Ausführungsbeispielen
8 veranschaulicht ein Beispiel eines induktiven Winkelsensorsystems, das gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung verwendet wird. Das induktive Winkelsensorsystem 800, wie es in 8 gezeigt ist, kann in Verbindung mit der induktiven Winkelsensorschaltungsanordnung 900, wie sie in 9 gezeigt ist, verwendet werden. Das Gesamtsystem kann ferner gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen angepasst werden, wie nachstehend näher erörtert wird, um einen induktiven Drehmomentsensor bereitzustellen. Das induktive Winkelsensorsystem 800 unterscheidet sich auf verschiedene Weise von den oben erörterten. Beispielsweise verwendet das induktive Winkelsensorsystem 800 separate Aufnahmespulensysteme, wobei jedes zwei oder mehr Aufnahmespulen aufweist und in Verbindung mit entsprechenden Zielspulen unabhängig arbeitet. Das induktive Winkelsensorsystem 800 verwendet ferner eine separate Empfängerspule, die über einen Luftspalt induktiv mit der Erregerspule gekoppelt ist. Die Empfängerspule ist mit den Zielspulen gekoppelt, um induzierten Strom in die Zielspulen einzubringen, was jede entsprechende Aufnahmespule veranlasst, ein Spannungssignal zu empfangen und auszugeben, das bezüglich des Winkels zwischen jeder Paarung einer Zielspule und einer jeweiligen Aufnahmespule variiert. Überdies kann das induktive Winkelsensorsystem 800 Spulenwicklungen, die mit einer sich drehenden Welle oder einer anderen Komponente gekoppelt sind, als Zielspulen statt der Verwendung wuchtiger Metallrotoren verwenden, obwohl derartige Komponenten gemäß einem derartigen System trotzdem funktionieren können.
Wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, bestimmt das induktive Winkelsensorsystem 800 unabhängig und separat den mechanischen Drehwinkel einer Rotorkomponente, indem es den Winkel jeder der Zielspulen bezüglich jedes jeweiligen induktiv gekoppelten Aufnahmespulensystems berechnet. Zu diesem Zweck umfasst das induktive Winkelsensorsystem 800 eine Rotorseite und eine Statorseite. Die Rotorseite umfasst eine drehbare Komponente (z. B. eine drehbare Welle), die sich, wie gezeigt, um die Drehachse dreht und mit den Zielspulen 810, 812 und der Empfängerspule 808 gekoppelt ist. Der Rotorabschnitt umfasst somit drei Spulen: die Sekundärleistungsspule oder Empfängerspule 808, die Zielspule 810, die astatisch ist und eine k1-fache Symmetrie oder Periodizität aufweist (bei diesem Beispiel gilt: k1=2), und eine Zielspule 812, die ebenfalls astatisch ist und eine andere k2-fache Symmetrie oder Periodizität aufweist (bei diesem Beispiel gilt: k2=3).
Der Statorabschnitt umfasst zumindest fünf Spulen, wobei in 8 der Kürze halber drei gezeigt sind. Diese umfassen die Erregerspule oder Primärleistungsspule 806, ein erstes Aufnahmespulensystem 802 (das zwei astatische und rotatorisch versetzte Spulen umfasst, wobei eine gezeigt ist) und ein zweites Aufnahmespulensystem 804 (das ebenfalls zwei astatische und rotatorisch versetzte Spulen umfasst, wobei eine gezeigt ist). Jede der astatischen Aufnahmespulen in dem Aufnahmespulensystem 802 kann dieselbe k1-fache Symmetrie wie eine andere und wie die Zielspule 810 aufweisen, wobei bei diesem Beispiel k1 =2 gilt. Die zweite Spule, die nicht in 8 gezeigt ist, die einen Bestandteil des Aufnahmespulensystems 802 bildet, kann identisch mit der gezeigten Spule sein, kann jedoch bei diesem Beispiel um 360°/k1/4, oder 45 Grad, um die Drehachse gedreht werden. Desgleichen kann die zweite Spule, die nicht in 8 gezeigt ist, die ein Bestandteil des Aufnahmespulensystems 804 ist, identisch mit der gezeigten Spule sein, jedoch bei diesem Beispiel um 360°/k2/4, oder 30 Grad, um die Drehachse gedreht werden. Somit kann jedes der Aufnahmespulensysteme 802, 804 einen Satz von Sinus- und Cosinusspulen umfassen, die einen Bestandteil eines Zweiphasensystems bilden, wie hierin erörtert wird.
Ein Oszillator versorgt die Erregerspule 806 mit einem Wechselstromsignal, das eine beliebige geeignete Amplitude und Frequenz aufweist. Dies koppelt elektrische Energie (über ein Magnetfeld infolge der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule 806 und der Empfängerspule 808) in die Empfängerspule 808, die mit dem Rotor gekoppelt ist. Die Erregerspule 806 koppelt jedoch nicht in die Zielspulen 810, 812, da die Zielspulen 810, 812 astatische Spulen sind. Das heißt, jede der Zielspulen 810, 812 kann benachbarte Wicklungen in entgegengesetzten Richtungen aufweisen, wie oben unter Bezugnahme auf 4A bis 4B erörtert wurde. Mit anderen Worten beträgt die gegenseitige Induktanz zwischen der Erregerspule 806 und jeder der Zielspulen 810, 812 null. Die Erregerspule 806 und die Empfängerspule 808 fungieren somit als Transformator, der keinen Eisenkern aufweist - beide sind nur über Luft gekoppelt. Vorzugsweise ist die über die Erregerspule 806 übertragene Leistung unabhängig von der Drehposition, und deshalb sollten die Erregerspule 806 und die Empfängerspule 808 rotatorisch symmetrische Kreise oder Spiralen sein. Die zwei Zielspulen 810, 812 sind auf leitfähige Weise mit der Empfängerspule 808 gekoppelt. Dies wird typischerweise dadurch implementiert, dass die Zielspulen 810, 812 über die Empfängerspule 808 hinweg in Reihe geschaltet werden. Optional kann eine Schaltung zwischen die Empfängerspule 808 und die Zielspulen 810, 812 gekoppelt werden, um die Effizienz zu verbessern. Dies kann beispielsweise einen Reihenkondensator umfassen, was eine Reihenresonanzschaltung ergibt, um die Impedanz auf der „sekundären“ Seite des „Transformators“ zu verringern.
Infolge dieser Konfiguration fließt ein starker induzierter Strom durch die Zielspulen 810, 812. Da beide Zielspulen astatisch sind und da sich k1 von k2 unterscheidet, verschwindet ihre gegenseitige Induktanz. Das heißt, die gegenseitige Induktanz zwischen beiden Zielspulen 810, 812 weist eine Größe auf, die beträchtlich geringer ist als die Selbstinduktanz jeder der beiden Zielspulen 810, 812 (z. B. größenmäßig ein Zehntel oder weniger). Deshalb liegt zwischen den Zielspulen 810, 812 keine magnetische Wechselwirkung vor. Die verringerte magnetische Wechselwirkung zwischen den Zielspulen 810, 812 ist auf diese Weise vorteilhaft, da sie andernfalls die Leistungseffizienz des Systems verringern würde. Die Zielspulen 810, 812 erzeugen somit magnetische Wechselfeldmuster einer k1-fachen bzw. k2-fachen Symmetrie, die sich synchron mit dem Rotor drehen.
Wiederum weist der Statorabschnitt zwei unabhängige Aufnahmespulensysteme 802, 804 auf, von denen jedes zwei rotatorisch versetzte Sinus- und Cosinusspulen aufweist. Das Aufnahmespulensystem 802 erfasst magnetische Wechselfeldmuster einer k1-fachen Symmetrie, wohingegen das Aufnahmespulensystem 804 magnetische Wechselfeldmuster einer k2-fachen Symmetrie erfasst. Da k1 und k2 keinen gemeinsamen Teiler aufweisen, findet kein Nebensprechen statt. Dies bedeutet, dass das Aufnahmespulensystem 802 mit der k1-fachen Symmetrie nicht auf das Magnetfeldmuster anspricht, das durch die Zielspule 812 mit der k2-fachen Symmetrie erzeugt wird, und dass das Aufnahmespulensystem 804 mit der k2-fachen Symmetrie nicht auf das Magnetfeldmuster der Zielspule 810 mit der k1-fachen Symmetrie anspricht. Deshalb kann das Aufnahmespulensystem 802 die Drehposition der Zielspule 810 unabhängig von der Zielspule 812 extrahieren, und das Aufnahmespulensystem 804 kann die Drehposition der Zielspule 812 unabhängig von der Zielspule 810 extrahieren.
Das induktive Winkelsensorsystem 800, wie es in 8 gezeigt ist, ist in 9 als Teil der induktiven Winkelsensorschaltungsanordnung 900 dargestellt, die zum Berechnen der Drehposition jeder der Zielspulen 810, 812 und wiederum des Winkels des Rotors, mit dem die Zielspulen 810, 812 jeweils gekoppelt sind und sich synchron drehen, während sich auch der Rotor dreht, zu berechnen. Beispielsweise umfasst die induktive Winkelsensorschaltungsanordnung 900 eine Schaltung 902, die eine Schaltungsanordnung (z. B. einen Reihenkondensator) darstellen kann, die zwischen die Empfängerspule 808 und die Zielspulen 810, 812 gekoppelt ist, um die Effizienz zu verbessern, wie oben angemerkt wurde. Überdies umfasst die induktive Winkelsensorschaltungsanordnung 900 eine Aufnahmespulenerfassungsschaltung 904, die mit jeder der Sinus- und Cosinusspulen gekoppelt ist, die jedes jeweilige Aufnahmespulensystem 802, 804 aufweisen.
Die Aufnahmespulenerfassungsschaltung 904 kann eine beliebige geeignete Art von Schaltungsanordnung umfassen (z. B. phasensynchrone Demodulatoren, phasenkohärente Demodulatoren, Amplitudendemodulatoren usw.), um die Hüllkurven der Signale, die von den Aufnahmespulensystemen 802 und 804 empfangen werden und die über jede jeweils gekoppelte Zielspule 810, 812 induziert werden, wie oben erörtert wurde, wiederzugewinnen. Die Aufnahmespulenerfassungsschaltung 904 kann auch einen oder mehrere Prozessoren oder sonstige geeignete Hardware umfassen, die dazu konfiguriert sind bzw. ist, einen Winkel phi1', der die Drehposition der Zielspule 810 darstellt, auf der Basis von durch das k1-Aufnahmespulensystem 802 bereitgestellten Signalen zu berechnen. Die Aufnahmespulenerfassungsschaltung 904 kann auch einen Winkel phi2', der die Drehposition der Zielspule 812 darstellt, auf der Basis von durch das k2-Aufnahmesystem 804 bereitgestellten Signalen berechnen. Die Drehposition des Rotors, mit dem die Zielspulen 810, 812 gekoppelt sind, wird als phimech' dargestellt.
Eine gute Annäherung bedeutet, dass: $phi1' = mod (k 1 * phimech; 360 °);$
und $phi2' = mod (k2 * phimech; 360 °) .$
Somit kann die Aufnahmespulenerfassungsschaltung 904 durch Vergleichen der zwei Winkel phi1', phi2' gemäß Nonius-Prinzipien (Vernier-Prinzip) den eindeutigen Winkel phimech des Rotors, mit dem die Zielspulen 810, 812 gekoppelt sind, in der vollen Bandbreite von 0° bis 360° ableiten.
Induktive Drehmomentsensorsysteme
Beispielhafte induktive Drehmomentsensorsysteme gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung sind in 10A bis 10B gezeigt, und die rechentechnische Funktionalität und die ebenfalls vorhandene Schaltungsanordnung, die diesen beispielhaften induktiven Drehmomentsensorsystemen zugeordnet sind, werden unter Bezugnahme auf 11A bis 11B näher erörtert. Die zwei induktiven Drehmomentsensorsysteme, wie sie in 10A und 10B gezeigt sind, umfassen mehrere identische oder gemeinsame Komponenten, und somit werden der Kürze halber lediglich die Unterschiede zwischen denselben hierin erörtert. Diese Unterschiede sind beispielhaft und stellen keine Einschränkung dar, und die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele können umfassen, dass die beispielhaften induktiven Drehmomentsensorsysteme unter Verwendung zusätzlicher, alternativer oder weniger Komponenten weiter modifiziert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das induktive Drehmomentsensorsystem 1000, wie es in 10A gezeigt ist, eine drehbare Antriebswelle 1002, die mit einer beliebigen geeigneten Art von mechanischer Komponente (d. h. einem Stellglied) gekoppelt sein kann, die die drehbare Antriebswelle 1002 veranlasst, sich gemäß einem beliebigen geeigneten Bereich einer Winkeldrehung (z. B. 360 Grad) zu drehen. Die drehbare Abtriebswelle kann wiederum mit einer beliebigen geeigneten Art von Last gekoppelt sein, von der ein messbares Drehmoment unter bestimmten Bedingungen übertragen werden kann, während sich die drehbare Antriebswelle 1002 um die gemeinsame Drehachse dreht. Die drehbare Antriebswelle 1002 ist über einen Presssitz, wie gezeigt, mit einer drehbaren Abtriebswelle 1004 gekoppelt, obwohl eine beliebige andere geeignete Art von Passung oder Kopplung implementiert werden kann. Beispielsweise umfassen die induktiven Drehmomentsensorsysteme 1000, 1050, wie sie in 10A bis 10B gezeigt sind, das Torsionselement 1003, das aus der Passverbindung der drehbaren Antriebswelle 1002 mit der drehbaren Abtriebswelle 1004 gebildet wurde. Jedoch ist dies ein einzelnes Beispiel, und andere Implementierungen sind gemäß den hierin erörterten Ausführungsbeispielen möglich. Beispielsweise kann das Torsionselement 1003 aus zwei Zahnrädern gebildet sein, die über biegsamen Gummi oder Federn an ihren jeweiligen Wellen angebracht sind. Dieses Getriebe kann somit als Torsionselement fungieren, um die Übertragung eines Drehmoments zwischen der drehbaren Antriebswelle 1002 an die drehbare Abtriebswelle 1004 anzugeben.
Die Kopplung zwischen der drehbaren Antriebswelle 1002 und der drehbaren Abtriebswelle 1004 bildet ein Torsionselement 1003. Die drehbare Antriebswelle 1002 und die drehbare Abtriebswelle 1004 sind zueinander koaxial, d. h. sie sind jeweils konzentrisch mit einer gemeinsamen Drehachse, die sie gemeinsam verwenden, wie in 10A gezeigt ist. Die drehbare Antriebswelle 1002 und die drehbare Abtriebswelle 1004 bilden einen Torsionswinkel zwischen einander, wenn ansprechend auf eine Drehung der drehbaren Antriebswelle 1002 ein Drehmoment auf die (nicht gezeigte) Last, mit der die drehbare Abtriebswelle 1004 gekoppelt ist, übertragen wird. Dieser Torsionswinkel wird hierin als „delta‟-Winkel bezeichnet und kann auf einen beliebigen geeigneten Bereich von Werten eingestellt werden, der geringer ist als der Gesamtbereich einer Winkeldrehung der drehbaren Antriebswelle 1002. Beispielsweise können die drehbare Antriebswelle 1002 und die drehbare Abtriebswelle 1004 einen Torsionswinkel von ± 10 Grad, ± 5 Grad, ± 3 Grad usw. bezüglich einer Ruheposition der drehbaren Antriebswelle 1002 und der drehbaren Abtriebswelle 1004, während der kein Drehmoment übertragen wird, bilden.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 10A umfasst das induktive Drehmomentsensorsystem 1000 einen Statorabschnitt und einen Rotorabschnitt. Der Statorabschnitt umfasst eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB, printed circuit board) (PCB1) oder ein anderes geeignetes Substrat, auf dem die verschiedenen Leiterbahnen (z. B. Spuren, Bonddrähte usw.), die eine beliebige geeignete Anzahl von Schichten haben, angeordnet sein können und das einen entsprechenden Ausschnitt umfassen kann, der ein radiales Spiel bereitstellt, durch das sich die drehbare Abtriebswelle 1004 erstreckt. Die Leiterbahnen auf dem Substrat können dazu angeordnet sein, die Aufnahmespulen in jedem der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 sowie die Primärleistungsspule 1006 zu bilden, die alternativ hierin als Sendespule, Erregerspule oder Erregungsspule bezeichnet werden kann. Jede der in dem Statorabschnitt enthaltenen Spulen (z. B. die Primärleistungsspule 1006 und die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010) sind auch koaxial um die gemeinsame Drehachse angeordnet.
Die Primärleistungsspule 1006 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Leiterbahnen in einer beliebigen geeigneten Konfiguration und/oder Anzahl von Wicklungen umfassen, obwohl rotatorisch symmetrische Kreise oder Spiralen vorzuziehen sind, wie oben unter Bezugnahme auf 8 erörtert wurde. Die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 können jeweils eine beliebige geeignete Anzahl von rotatorisch versetzten Aufnahmespulen einer beliebigen geeigneten k-fachen Symmetrie umfassen. Beispielsweise kann das Aufnahmespulensystem 1008 zwei oder mehr Aufnahmespulen umfassen, die jeweils eine beliebige geeignete k-fache Periodizität von k1 aufweisen und gemäß dieser Periodizität und der Gesamtanzahl von Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 in Bezug zu einander gedreht werden, um den richtigen Phasenversatz von induzierten oder „aufgenommenen“ („picked up“) Signalen zu gewährleisten, wie oben erörtert wurde.
Beispielsweise kann jede einzelne der in dem Aufnahmespulensystem 1008 enthaltenen Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine geradzahlige Anzahl N von Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 und gemäß der Funktion $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine ungeradzahlige Anzahl N von Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 rotatorisch versetzt sein, wobei k1 in jedem Fall die Periodizität darstellt. Das Aufnahmespulensystem 1010 kann desgleichen zwei oder mehr Aufnahmespulen umfassen, die jeweils eine beliebige geeignete k-fache Periodizität von k2 aufweisen und gemäß dieser Periodizität und der Gesamtanzahl von Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1010 in Bezug zu einander gedreht werden. Bei einem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die k-fache Periodizität k1 und die k-fache Periodizität k2 voneinander, um ein Nebensprechen zwischen den benachbarten Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 zu eliminieren, wie oben unter Bezugnahme auf 8 erörtert wurde. Die Verwendung der hierin beschriebenen rotatorischen Versätze wird beispielhaft und nicht auf einschränkende Weise bereitgestellt. Die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 können zwei oder mehr Spulen umfassen, die eine andere oder ausgefeiltere Konfiguration aufweisen als die hierin erörterten beispielhaften Spulenwicklungen. Beispielsweise können die Aufnahmespulen eines oder mehrerer der Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 mehrere Drehungen(engl.: turns) um die Drehachse aufweisen, wobei bestimmte Drehungen um ein Ausmaß, das geringer oder größer sein kann als $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
oder $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
je nach Fall, gegeneinander gedreht werden. Solche Abweichungen des rotatorischen Versatzes zwischen den Aufnahmespulen können den systematischen Winkelfehler verringern.
Die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 können eine beliebige geeignete Anzahl einzelner Aufnahmespulen umfassen. Beispielsweise können die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 jeweils zwei Aufnahmespulen umfassen, die astatische Spulen sind, die beispielsweise so angeordnet sind, dass sie benachbarte Wicklungen in der entgegengesetzten Richtung aufweisen, ähnlich den in 4A bis 4B gezeigten, um ein Zweiphasensystem zu bilden (d. h. die Spulen können eine Sinus- und eine Cosinusspule umfassen, wie hierin erörtert wird). Als weiteres Beispiel können die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 jeweils drei Aufnahmespulen umfassen, die keine astatischen Spulen sein müssen und die beispielsweise auf ähnliche Weise wie die in 6 gezeigten angeordnet sind, um ein Dreiphasensystem zu bilden (d. h., die Spulen können U-, V-, W-Spulen umfassen, wie hierin erörtert wird).
Die Verwendung von Zwei- und Dreiphasensystemen sind beispielhaft und stellen keine Einschränkung dar, und die Ausführungsbeispiele hierin können Aufnahmespulen verwenden, die eine beliebige geeignete Anzahl von Spulen aufweisen, die eine beliebige geeignete Konfiguration aufweisen können (z. B. astatisch oder nicht-astatisch). Selbstverständlich können die Primärleistungsspule 1006 und die einzelnen Spulen, die in jedem der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 enthalten sind, obwohl sie sich auf demselben Substrat (PCB1) befinden, über verschiedene Schichten des Substrats geleitet werden, um zu vermeiden, dass sie miteinander zu Kurzschlüssen führen. Somit können praktische Begrenzungen der Anzahl von Aufnahmespulen, die verwendet werden können, vorliegen. In jedem Fall umfassen Ausführungsbeispiele die Primärleistungsspule 1006 und die einzelnen Spulen, die in jedem der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 enthalten sind, die über geeignete Verbindungen und/oder Anschlüsse enden, die jeweils separat mit einer zusätzlichen Schaltungsanordnung gekoppelt sind, so dass der Torsionswinkel berechnet werden kann, wie unter Bezugnahme auf 11A bis 11B nachstehend näher erörtert wird.
Der Rotorabschnitt des induktiven Drehmomentsensorsystems 1000 umfasst eine zweite PCB (PCB2) oder ein anderes geeignetes Substrat, das mit der drehbaren Abtriebswelle 1004 gekoppelt oder auf andere Weise an derselben befestigt ist, und eine dritte PCB (PCB3) oder ein anderes geeignetes Substrat, das mit der drehbaren Antriebswelle 1002 gekoppelt oder auf andere Weise an derselben befestigt ist. Die zweite PCB (PCB2) umfasst verschiedene Leiterbahnen (z. B. Spuren, Bonddrähte usw.), die eine beliebige geeignete Anzahl von Schichten aufweisen, die dazu angeordnet sind, eine Zielspule 1014 und eine Sekundärleistungsspule 1012 zu bilden, die hierin alternativ als Empfangsspule bezeichnet werden kann. Die Zielspule 1014 kann als astatische Spule gewickelt sein, die in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet ist, die eine k-fache Symmetrie k1 aufweist, die mit der der Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 übereinstimmt. Die Sekundärleistungsspule 1012 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Leiterbahnen in einer beliebigen geeigneten Konfiguration und/oder Anzahl von Wicklungen umfassen, jedoch sind wiederum rotatorisch symmetrische Kreise oder Spiralen vorzuziehen. Die dritte PCB (PCB3) umfasst verschiedene Leiterbahnen (z. B. Spuren, Bonddrähte usw.), die eine beliebige geeignete Anzahl von Schichten aufweisen, die dazu angeordnet sind, eine Zielspule 1016 zu bilden. Ähnlich der Zielspule 1014 kann die Zielspule 1016 als astatische Spule gewickelt sein, die in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet ist, die eine k-fache Symmetrie k2 aufweist, die sich von der der Zielspule 1016 unterscheidet, jedoch mit der der Spulen in dem Aufnahmespulensystem 1010 übereinstimmt. Jede der in dem Rotorabschnitt enthaltenen Spulen (z. B. die Sekundärleistungsspule 1012, eine Ternärleistungsspule, falls vorhanden, und die Zielspulen 1014, 1016) sind ebenfalls koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet. Wiederum weist die gegenseitige Induktanz zwischen den Zielspulen 1014, 1016 aus dem Grund, da die Zielspulen 1014, 1016 unterschiedliche k-fache Symmetriewerte aufweisen, eine Größe auf, die beträchtlich geringer ist als die Selbstinduktanz jeder der beiden Zielspulen 1014, 1016 (größenmäßig z. B. ein Zehntel oder weniger).
Da also die Zielspule 1016 mit der drehbaren Antriebswelle 1002 gekoppelt ist und die Zielspule 1016 mit der drehbaren Abtriebswelle 1004 gekoppelt ist, drehen sich die Zielspulen 1014, 1016 in Bezug zu einander, wenn ein Drehmoment von der drehbaren Antriebswelle 1002 auf die drehbare Abtriebswelle 1004 übertragen wird, um den Torsionswinkel delta zu bilden. Der Torsionswinkel delta kann gemessen werden, indem die Drehposition der Zielspulen 1014, 1016 auf unabhängige Weise bestimmt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die axiale Beabstandung zwischen den Zielspulen 1014, 1016 eine beliebige geeignete Entfernung sein, es ist jedoch vorzuziehen, diese Beabstandung relativ gering zu halten (z. B. in der Größenordnung von 0,5 mm). Jedoch stellt aufgrund der Verwendung der verschiedenen k-fachen Symmetrien eine derartige geringe Beabstandung kein Problem dar, da die Zielspulen 1014, 1016 unabhängig voneinander fungieren können und Nebensprechen vermeiden können.
Somit verwendet das induktive Drehmomentsensorsystem 1000 ähnlich dem in 8 gezeigten induktiven Winkelsensorsystem 800 ebenfalls einen Satz von Leistungsspulen 1006, 1012, einen Satz von Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 und einen Satz von Zielspulen 1014, 1016, die jeweils eine gemeinsame Drehachse verwenden und somit koaxial mit der gemeinsamen Drehachse und dem Torsionselement 1003 angeordnet sind. Jedoch erfordert das induktive Drehmomentsensorsystem 1000 im Gegensatz zu dem induktiven Winkelsensorsystem 800, dass sich die Zielspulen um den Torsionswinkel delta in Bezug zu einander drehen. Da somit die Zielspulen 1016, 1014 an der drehbaren Antriebswelle 1002 bzw. der drehbaren Abtriebswelle 1004 angebracht sind, umfassen Ausführungsbeispiele die Verwendung einer Einrichtung zum Koppeln elektrischer Energie von der Primärleistungsspule 1006 auf der PCB1 des Statorabschnitts mit beiden Zielspulen 1014, 1016, die sich auf separaten Substraten befinden. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, wobei nachstehend mehrere Beispiele näher erörtert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine gemeinsame Leistungsspule verwendet, um beide Zielspulen 1014, 1016 mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein Beispiel der Verwendung einer gemeinsamen Leistungsspule für diesen Zweck ist in 10A bis 10B gezeigt, bei denen die Sekundärleistungsspule 1012 diesem Zweck dient. Insbesondere ist die Sekundärleistungsspule 1012 mit der Primärleistungsspule 1006 über einen Luftspalt zwischen denselben induktiv gekoppelt, der den Stator- und den Rotorabschnitt voneinander trennt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die derartige Konfiguration der Primärleistungsspule 1006 und der Sekundärleistungsspule 1012 derart, dass zwischen denselben eine gegenseitige Induktanz gebildet wird, die bezüglich eines Drehwinkels der Primärleistungsspule 1006, eines Drehwinkels der Sekundärleistungsspule 1012 und des Torsionswinkels delta konstant ist.
Die Sekundärleistungsspule 1012 wiederum ist induktiv mit jeder der Zielspulen 1014, 1016 auf ähnliche Weise gekoppelt, wie die Zielspulen 810, 812 mit der Empfängerspule 808, die in 8 gezeigt ist, gekoppelt sind. Somit kann die Sekundärleistungsspule 1012 über die Verbindungen an der gemeinsam genutzten PCB2 (die auch Reihenkapazität und/oder Schaltungsanordnungsverbindungen umfassen kann) auf leitfähige Weise mit der Zielspule 1014 gekoppelt sein. Jedoch muss die Zielspule 1016 auch mit der Sekundärleistungsspule 1012 auf leitfähige Weise gekoppelt sein, was über die in 10A gezeigten biegsamen Kabel/Leitungen 1018 implementiert werden kann. Mit anderen Worten umfassen die Zielspulen 1014, 1016 jeweils zumindest zwei Leiter, um sie miteinander zu verbinden, da beide Anschlüsse, die jeder der Zielspulen 1014, 1016 zugeordnet sind, verbunden werden müssen. Die biegsamen Leitungen 1018 können zu diesem Zweck implementiert werden und weisen ein beliebiges geeignetes Material auf, um eine geeignete Beständigkeit zu gewährleisten, während sich die Zielspulen 1014, 1016 gegeneinander drehen, wenn ein Drehmoment übertragen wird.
Ein weiteres Beispiel der leitfähigen Kopplung zwischen der Sekundärleistungsspule 1012 und der Zielspule 1016 umfasst, dass die Sekundärleistungsspule 1012 und die Zielspule 1016 über die drehbare Abtriebswelle 1004 miteinander gekoppelt sind. Bei diesem Beispiel sind, obwohl die Zielspulen 1014, 1016 jeweils zumindest zwei Leiter umfassen, um sie miteinander zu verbinden, die drehbare Antriebswelle 1002 und die drehbare Abtriebswelle 1004 zu diesem Zweck aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material aufgebaut (z. B. Metall), und somit wird elektrische Energie über eine Bahn, die zwischen einer lokalen Verbindung an der PCB2 mit der Sekundärleistungsspule 1012 gebildet ist, eine lokale Verbindung an der PCB3 mit der Zielspule 1016 und eine Leiterbahn, die über der drehbaren Antriebswelle 1002 und der drehbaren Abtriebswelle 1004, wie gezeigt, als Produkt der elektrischen Leitfähigkeit jedes dieser Materialien gebildet ist, bereitgestellt. In einem solchen Fall wird lediglich eine einzige biegsame Leitung 1052 benötigt, um den zweiten Anschluss der Zielspule 1016 zu verbinden. Wie in 10B gezeigt ist, kann die Leiterbahn über der drehbaren Antriebswelle 1002 und der drehbaren Abtriebswelle 1004 ein Bonden der Leitung an jeder der PCB2 und der PCB3 mit der drehbaren Abtriebswelle 1004 bzw. der drehbaren Antriebswelle 1002 umfassen, wie in 10B gezeigt ist, um eine Verbindung zwischen einem der Anschlüsse der Sekundärleistungsspule 1012 und dem anderen Anschluss mit der Zielspule 1016 bereitzustellen.
Als wieder anderes Beispiel kann jede der Zielspulen 1014, 1016 Leistung über eine eigens dafür vorgesehene Leistungsspule empfangen, die das Erfordernis, etwaige biegsame Leitungen über das Torsionselement hinweg zu koppeln, eliminiert. Gemäß derartigen Ausführungsbeispielen wird die Sekundärleistungsspule 1012 induktiv mit der Primärleistungsspule 1006 gekoppelt und auf leitfähige Weise mit der Zielspule 1014 gekoppelt, um die Zielspule 1014 mit Leistung zu versorgen. Überdies kann eine Ternärleistungsspule verwendet werden, die in 10B nicht gezeigt ist, die jedoch als Bestandteil der PCB3 auf ähnliche Weise wie die Sekundärleistungsspule 1012 auf der PCB2 für die Zielspule 1014 enthalten sein kann. Gemäß derartigen Ausführungsbeispielen ist die Ternärleistungsspule ebenfalls induktiv mit der Primärleistungsspule 1006 gekoppelt und ist auf leitfähige Weise mit der Zielspule 1016 gekoppelt, um die Zielspule 1016 mit Leistung zu versorgen. Die Verwendung des ternären Spulensystems wird nachstehend unter Bezugnahme auf 11A bis 11B näher erörtert.
Die Konfiguration, Anordnung und physische Beziehung zwischen den verschiedenen Leistungsspulen, Aufnahmespulen und Zielspulen, wie sie unter Bezugnahme auf 10 bis 10B und weiter unten unter Bezugnahme auf 11A bis 11B gezeigt und erörtert wurden bzw. werden, sind lediglich beispielhaft und stellen keine Einschränkung dar. Beispielsweise kann bzw. können eine oder mehrere der PCB1, der PCB2 und/oder der PCB3 (oder ein anderes geeignetes Substrat) in mehrere Schichten und/oder PCBs unterteilt sein, deren Einzelheiten der Kürze halber nicht gezeigt sind. Das heißt, die PCB1 kann aus einer PCB1a, PCB1b usw. gebildet sein, um die verschiedenen Spulen, Verbindungen, Anschlüsse usw., die darauf angeordnet werden sollen, zu ermöglichen.
Überdies und ungeachtet der Konfiguration und der Nutzung der Leistungsspulen umfassen Ausführungsbeispiele einen Reihenkondensator und/oder eine andere geeignete Schaltungsanordnung, die optional zwischen jede der gemeinsamen oder eigens dafür vorgesehenen Leistungsspulen und einer oder beide der Zielspulen, der bzw. denen die jeweiligen Leistungsspulen elektrische Energie über ein leitfähiges Koppeln bereitstellen, gekoppelt ist. Wiederum erhöht dies die Betriebseffizienz, wie hierin erörtert wird. Ferner kann die Verwendung anderer Arten von Schaltungen zusätzlich zu oder statt der Verwendung eines Reihenkondensators gemäß den hierin erörterten Ausführungsbeispielen implementiert werden, um die von der bzw. den Leistungsspule(n) an die Zielspule(n) übertragene Leistung auf vorteilhafte Weise zu verbessern.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen auch alternative Anbringkonfigurationen und eine Verwendung einer alternativen Reihenfolge der verschiedenen Komponenten zu den in 10A bis 10B gezeigten Beispielen. Beispielsweise können die verschiedenen Spulen oder anderen Komponenten, die in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt sind, an anderen PCBs als in den gezeigten Beispielen angebracht werden. Das heißt, die Platzierung der verschiedenen Zielspulen, Leistungsspulen und Aufnahmespulen in Bezug zu einander und die Beabstandung zwischen derartigen Komponenten können von der in den 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigten Konfiguration abweichen. Beispielsweise ist jede der Zielspulen 1012, 1016 in 10A bis 10B als auf derselben Seite der Statorschaltungsanordnung angeordnet gezeigt. Obwohl dies beispielhaft ist und keine Einschränkung darstellt und die Zielspulen 1012, 1016 auf gegenüberliegenden Seiten der Statorplatine(n) (z. B. PCB1 und der Primärleistungsspule 1006 und der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010) angeordnet werden könnten, ist es vorzuziehen, die Statorplatine(n) (PCB1) nicht zwischen den Zielspulen 1012, 1016 zu platzieren, da dies die Montageprozedur verkompliziert und die Stabilität und Genauigkeit des Systems während der Produktlebensdauer verschlechtert, da sich der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor mit der Zeit verändern kann.
Als weiteres Beispiel veranschaulichen die beispielhaften induktiven Drehmomentsensorsysteme 1000, 1050, wie sie in 10A bis 10B gezeigt sind, dass die Sekundärleistungsspule 1014 über die Anbringkonfiguration der PCB2 mit der drehbaren Abtriebswelle 1004 gekoppelt ist. Dies ist jedoch beispielhaft und stellt keine Einschränkung dar, und die Sekundärleistungsspule 1014 könnte alternativ dazu mit der drehbaren Antriebswelle 1002 gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Sekundärleistungsspule 1014 auf der PCB3 mit der Zielspule 1016 angeordnet sein statt auf der PCB2 mit der Zielspule 1014. Bei den verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen wird anerkannt, dass das Magnetfeld einer Zielspule gegenüber einer Entfernung für eine höhere Periodizität steiler abfällt. Falls also die Zielspule 1016 eine größere Periodizität aufweist als die Zielspule 1014, könnte die Entfernung zwischen der Zielspule 1016 und den Aufnahmespulen des Aufnahmespulensystems 1010 geringer sein als die Entfernung zwischen der Zielspule 1014 und den Spulen des Aufnahmespulensystems 1008, ungeachtet der Position der Primär-, der Sekundär- und der (falls vorhanden) Ternärleistungsspulen. Überdies kann man annehmen, dass die Primär-, die Sekundär- und die Ternärleistungsspulen eine k-fache Periodizität von 1 (= 360°) aufweisen. Deshalb fallen die durch die Primär-, Sekundär- und Ternärleistungsspulen erzeugten Magnetfelder mit zunehmender Entfernung lediglich moderat ab. Falls das induktive Drehmomentsensorsystem 1000 Primär-, Sekundär- und Ternärleistungsspulen aufweist (eine an dem Statorabschnitt, eine für die Zielspule 1014 und eine für die Zielspule 1016) und falls jede Zielspule aus einer einzigen PCB mit ihrer eigenen eigens dafür vorgesehenen Leistungsspule gebildet ist, dann empfängt die am nächsten bei der Primärleistungsspule 1006 gelegene Zielspule im Vergleich zu der Zielspule, die weiter von der Primärleistungsspule 1006 entfernt ist, eine etwas höhere gekoppelte Leistung. Folglich ist es vorteilhaft, wenn die näher gelegene Zielspule die höchste Periodizität aufweist.
Vor diesem Hintergrund kann ein alternatives Beispiel einer räumlichen Sequenz in der axialen Richtung, die sich von der Primärleistungsspule 1006 wegbewegt, im Vergleich zu der in den 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigten als (1) die Primärleistungsspule 1006, (2) die den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 zugeordneten Aufnahmespulen in einer beliebigen Reihenfolge, (3) die Zielspulen 1014, 1016, die gemäß einer abnehmenden k-fache-Symmetrie-Periodizität vom geringsten bis zum größten Abstand von der Primärleistungsspule 1006 angeordnet sind, und (4) die Sekundärleistungsspule 1012 und eine optionale Ternärleistungsspule in eine Reihenfolge gebracht werden. Das heißt, die Leistungsspulen können im Vergleich zu den Ziel- und Aufnahmespulen eine größere Beabstandung zwischen einander tolerieren, da das magnetische Wechselfeld der Leistungsspulen im Raum weniger stark abfällt als die Felder der astatischen Zielspulen (vor allem, falls k1 und k2 groß sind). Falls jedoch die Zielspulen 1014, 1016 von einer einzelnen Sekundärleistungsspule versorgt werden und es möglich ist, die Sekundärleistungsspule 1012 auf demselben Substrat zu platzieren wie die Zielspule 1012 oder 1014 (wie in 10A für die Zielspule 1014 gezeigt ist), ist es vorzuziehen, die Sekundärleistungsspule 1012 auf derselben Platine zu platzieren wie diese Zielspule, die der Primärleistungsspule 1006 auf dem Stator näher liegt.
Es ist zu beachten, dass die beispielhaften Werte einer verwendeten k-fachen Symmetrie unter Bezugnahme auf 10A bis 10B und 11A bis 11B k1=2 und k2=3 betragen, die um einer einfacheren Erklärung willen so vorgesehen sind, dass sie mit denen in 8 übereinstimmen. Somit können die Zielspulenpositionen, wie sie in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt sind, beispielsweise von dem, was in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt ist, derart gewechselt werden, dass die Zielspule 1016, die eine höhere k-fache-Symmetrie-Periodizität von 3 aufweist, näher bei der Primärleistungsspule 1006 platziert werden kann, wie oben angegeben wurde. Als weiteres Beispiel und auch gemäß dem alternativen In-Reihenfolge-Bringen der Komponenten, wie es oben angegeben wurde, kann bzw. können die Sekundärleistungsspule 1012 und/oder die Ternärleistungsspule 1152 (wie nachstehend unter Bezugnahme auf 11B näher erörtert wird) weiter entfernt von der Primärleistungsspule 1006 angeordnet werden als die Zielspulen 1012, 1014. Dies kann beispielsweise dadurch implementiert werden, dass die Sekundärleistungsspule 1012 als Bestandteil der PCB3 gebildet ist, die statt der Zielspule 1016, wie gezeigt, auch die Zielspule 1014 umfassen kann.
Unter Bezugnahme auf 11A bis 11B ist nun ein beispielhaftes Blockdiagramm einer induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung gezeigt, die zum Berechnen des Torsionswinkels delta gemäß der Konfiguration des induktiven Drehmomentsensorsystems, wie sie in 10A bis 10B gezeigt ist, verwendet werden kann. 11A liefert ebenfalls zusätzliche Einzelheiten bezüglich der Verwendung einer üblichen Leistungsspule für die Zielspulen 1014, 1016. 11B liefert zusätzliche Einzelheiten bezüglich der Verwendung von eigens dafür vorgesehenen Leistungsspulen für die Zielspulen 1014, 1016 und veranschaulicht somit eine Ternärleistungsspule 1152, die nachstehend näher erörtert wird.
Wie in 11A gezeigt ist, weist der Rotorabschnitt 1102 die sich drehenden Komponenten des induktiven Drehmomentsensorsystems 1000 auf und umfasst die Sekundärleistungsspule 1012, die Zielspulen 1014, 1016 und etwaige ebenfalls vorhandene Leiterbahnen, Spuren, Schaltungsanordnungen, Anschlüsse, Verbindungen, Komponenten usw., die diesen zugeordnet sind. Somit können die dem Rotorabschnitt 1102 zugeordneten verschiedenen Komponenten hierin alternativ als „Rotorschaltungsanordnung‟ bezeichnet werden. Dies kann beispielweise PCB2, PCB3, zusätzliche PCB oder Substrate, die nicht in den Figuren gezeigt sind, die Verbindungen und/oder Spuren, die auf der PCB2 und der PCB3 gebildet sind, die die verschiedenen Spulenstrukturen, Anschlüsse, Spulenwicklungen, Kopplungen zwischen der Sekundärleistungsspule 1012 und den Zielspulen 1014, 1016 bilden, optionale Kondensatoren oder sonstige Schaltungsanordnungen, die zwischen der Sekundärleistungsspule 1012 und den Zielspulen 1014, 1016 usw. in Reihe gekoppelt sind, umfassen.
Überdies weist der Statorabschnitt 1104 die stationären Komponenten des induktiven Drehmomentsensorsystems 1000 auf und umfasst die Primärleistungsspule 1006 und die Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 (und die denselben zugeordneten ebenfalls vorhandenen Aufnahmespulen). Der Statorabschnitt 1104 umfasst ferner jegliche ebenfalls vorhandenen Leiterbahnen, Spuren, Schaltungsanordnungen, Anschlüsse, Verbindungen, Komponenten usw., die demselben zugeordnet sind, was die Verbindungen, Anschlüsse, Kopplungen usw. mit der Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 sowie die Komponenten, die die Drehmomentberechnungsschaltungsanordnung 1106 bilden, umfasst. Die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 kann Komponenten, die auf der PCB1 oder einer anderen PCB gebildet sind, oder externe Komponenten, die mit den verschiedenen Komponenten auf der PCB1 gekoppelt sind, umfassen, wie nachstehend näher erörtert wird. Somit können die dem Statorabschnitt zugeordneten diversen Komponenten hierin alternativ als „Statorschaltungsanordnung‟ bezeichnet werden. Dies wiederum kann beispielsweise die PCB1, zusätzliche PCB oder Substrate umfassen, die nicht in den Figuren gezeigt sind, die Verbindungen und/oder Spuren, die auf der PCB1 gebildet sind und die die verschiedenen Spulenstrukturen, Anschlüsse, Spulenwicklungen, Kopplungen zwischen der Primärleistungsspule 1006, den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 und der Drehmomentberechnungsschaltungsanordnung 1106 usw. bilden.
Das beispielhafte Blockdiagramm der induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung 1150, die in 11B gezeigt ist, ist identisch mit der induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung 1000, die in 11 A gezeigt ist, mit Ausnahme der Leistungsspulenkonfiguration, die einen Teil der Rotorschaltungsanordnung 1102 darstellt. Wiederum umfasst die Rotorschaltungsanordnung 1102 der induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung 1000, wie sie in 11 A gezeigt ist, eine Sekundärleistungsspule 1012, die beiden Zielspulen 1014, 1016 gemein ist. Somit ist die Sekundärleistungsspule 1012, wie sie in 11A gezeigt ist, induktiv mit der Primärleistungsspule 1006 gekoppelt und auf leitfähige Weise mit jeder der Zielspulen 1014, 1016 gekoppelt, wobei ein optionaler Kondensator und/oder eine andere geeignete Schaltungsanordnung mit der Sekundärleistungsspule 1012 und jeder der Zielspulen 1014, 1016 in Reihe gekoppelt ist.
Jedoch umfasst die Rotorschaltungsanordnung 1102 der induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung 1150, wie sie in 11B gezeigt ist, eine eigens dafür vorgesehene Sekundärleistungsspule 1012 und eine Ternärleistungsspule 1152. Bei dieser Konfiguration ist die Sekundärleistungsspule 1012 induktiv mit der Primärleistungsspule 1006 gekoppelt und auf leitfähige Weise mit der Zielspule 1014 gekoppelt. Ein optionaler Kondensator und/oder eine andere geeignete Schaltungsanordnung kann mit der Sekundärleistungsspule 1012 und der Zielspule 1014 in Reihe gekoppelt sein, ähnlich der in 11A gezeigten induktiven Drehmomentsensorsystemschaltungsanordnung 1000. Jedoch ist die Ternärleistungsspule 1152 auch induktiv mit der Primärleistungsspule 1006 gekoppelt und ist auf leitfähige Weise mit der Zielspule 1016 gekoppelt, wobei ein weiterer optionaler Kondensator und/oder eine weitere geeignete Schaltungsanordnung mit der Ternärleistungsspule 1152 und der Zielspule 1016 in Reihe gekoppelt ist. Wiederum ist das Beispiel des Implementierens zweier oder dreier Leistungsspulen, sowie die Anzahl von Zielspulen, Aufnahmespulensystemen und Aufnahmespulen, die gemäß derartigen Aufnahmespulensystemen verwendet werden, beispielhaft vorgesehen und stellt keine Einschränkung dar, und eine beliebige geeignete Anzahl und/oder Art derartiger Komponenten kann gemäß den hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen implementiert werden.
Ungeachtet der Anzahl und Konfiguration von Leistungsspulen, Zielspulen und Aufnahmespulen umfassen Ausführungsbeispiele, dass die Statorschaltungsanordnung 1104 und insbesondere die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 dazu konfiguriert sind, eine Drehposition (d. h. Winkel phi1') der Zielspule 1014 bezüglich des Aufnahmespulensystems 1008 zu berechnen, indem sie die Signale verarbeiten, die in jeder der Aufnahmespulen induziert werden, die das Aufnahmespulensystem 1008 umfassen. Desgleichen ist die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 dazu ausgebildet, eine Drehposition (d. h. den Winkel phi2') der Zielspule 1016 bezüglich des Aufnahmespulensystems 1010 getrennt und unabhängig zu berechnen, indem sie die Signale verarbeitet, die in jeder der Aufnahmespulen induziert werden, die das Aufnahmespulensystem 1010 umfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1006 über eine oder mehrere miteinander verbundene Komponenten, die nachstehend näher erörtert werden und die einen Bestandteil derselben Komponente wie beispielsweise einer integrierten Schaltung bilden können, Komponenten, die dieselbe PCB belegen usw. implementiert werden. Wenn nichts anderes angegeben ist, können die verschiedenen Komponenten der Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1006 einen oder mehrere Prozessoren oder andere Verarbeitungskomponenten umfassen, um die Funktionalität der hierin erörterten verschiedenen Ausführungsbeispiele zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 dazu ausgebildet, die berechneten Winkel phi1' und phi2' dazu zu verwenden, einen Torsionswinkel (delta') zu berechnen, und können optional die Drehposition der drehbaren Antriebswelle 1002 (phimech') berechnen. Dazu umfasst die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 einen Oszillator 1106, der als beliebige geeignete Art von Oszillatorschaltungsanordnung implementiert sein kann, um ein Wechselstromsignal bereitzustellen, das über eine(n) oder mehrere Leitungen, Spuren usw. mit der Primärspule 1006 gekoppelt ist, um die Primärleistungsspule 1006 mit einem Wechselstrom bei einer beliebigen geeigneten Frequenz oder bei einem beliebigen geeigneten Bereich von Frequenzen (z. B. von 100 kHz bis 10 MHz wie z. B. 3,5 MHz) und beliebiger geeigneten Amplitude (z. B. 1 V) zu versorgen. Wie oben erörtert wurde, ist die Primärleistungsspule 1006 induktiv mit der Sekundärleistungsspule 1012 und, falls vorhanden, mit der Ternärleistungsspule 1152 gekoppelt. In jedem Fall versorgt die induktive Kopplung zwischen den Leistungsspulen 1006, 1012 und 1152 (falls vorhanden) die Zielspulen 1014, 1016 über die verschiedenen Kopplungsanordnungen, die oben erörtert wurden und in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt sind, mit Leistung. Die in jedem der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 enthaltenen Aufnahmespulen sind ebenfalls induktiv mit den Zielspulen 1014 bzw. 1016 gekoppelt, und somit werden in jeder der in den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 enthaltenen Aufnahmespulen Spannungen induziert, was variiert, während sich die Zielspulen 1014, 1016 in Bezug zu einander um den Torsionswinkel delta drehen, wenn ein Drehmoment von der drehbaren Antriebswelle 1002 auf die drehbare Abtriebswelle 1004 übertragen wird.
Die Spannungen, die in die Spulen induziert werden, die jedes der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 bilden, stellen amplitudenmodulierte Spannungssignale bereit, wobei ein Signal durch jede jeweilige Spule in dem Aufnahmespulensystem ausgegeben wird (z. B. eines für jede Sinus- und Cosinusspule für ein Zweiphasensystem). Diese amplitudenmodulierten Spannungssignale werden mit einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung (SP-Schaltungsanordnung, SP = signal processing, Signalverarbeitung) 1106B und 1106B', die in 11A bis 11B gezeigt sind, gekoppelt. Obwohl die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 eine einzelne Leitung angibt, die mit dem SP-Schaltungsanordnungsblock in 11A bis 11B gekoppelt ist, dient dies der Einfachheit der Erläuterung, da jede SP-Schaltungsanordnung 1106B und 1106B' ein separates amplitudenmoduliertes Spannungssignal von den Anschlüssen empfängt, die jeder Aufnahmespule zugeordnet sind, die jedes jeweils gekoppelte Aufnahmespulensystem 1008, 1010 bildet. Somit empfängt die SP-Schaltungsanordnung 1106B zwei oder mehr amplitudenmodulierte Spannungssignale, eines von jeder der Aufnahmespulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 (die in Bezug zu einander gedreht werden), und die SP-Schaltungsanordnung 1106B' empfängt desgleichen zwei oder mehr amplitudenmodulierte Spannungssignale, eines von jeder der Aufnahmespulen in dem Aufnahmespulensystem 1010 (die ebenfalls in Bezug zu einander gedreht werden). Diese Signale weisen eine Amplitude auf, die bezüglich der Drehposition der Zielspulen 1014, 1016 variiert, wie hierin erörtert wird.
Die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 1106B, 1106B' verarbeitet anschließend die amplitudenmodulierten Spannungssignale, die durch jedes getrennte Aufnahmespulensystem 1008, 1010 bereitgestellt werden, um Signalaufbereitungs- und/oder korrigierende Aktionen wie beispielsweise Versatzaufhebungen (offset cancellations), Amplitudennormierung usw. bereitzustellen. Die aus der Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 1106B, 1106B' ausgegebenen Signale können hierin als verarbeitete amplitudenmodulierte Spannungssignale bezeichnet werden. Um diese Signalverarbeitung durchzuführen, können die SP-Schaltungen 1106B, 1106B' zu diesem Zweck eine beliebige geeignete Art von Schaltungsanordnung umfassen. Beispielsweise können die SP-Schaltungen 1106B, 1106B' dazu implementiert sein, EMV-Filter, Amplitudendemodulatoren, Verstärker, ADW usw. zu umfassen.
Wie oben unter Bezugnahme auf 8 erwähnt wurde, kann die Drehposition der Zielspulen 1014, 1016 als phi1' und phi2' dargestellt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 eine Zielspulendrehverschiebungsberechnungsschaltungsanordnung 1106C, 1106C'. Die Zielspulendrehverschiebungsberechnungsschaltungsanordnungen 1106C, 1106C' sind dazu ausgebildet, die Winkel phi1' und phi2' der Zielspulen 1014, 1016 bezüglich jedes jeweils gekoppelten Aufnahmespulensystems 1008, 1010 separat und unabhängig zu berechnen. Diese Berechnung kann auf beliebige geeignete Weise durchgeführt werden, einschließlich bekannter Techniken und/oder der Techniken, die oben bezüglich der diversen induktiven Winkelsensorsysteme erörtert wurden, die die durch die SP-Schaltungsanordnungen 1106B, 1106B' ausgegebenen verarbeiteten amplitudenmodulierten Spannungssignale verwenden.
Da jedoch die oben beschriebenen induktiven Winkelsensoren (z. B. wie in 8 gezeigt) Zielspulen umfassen, die sich nicht in Bezug zu einander drehen, wie dies bei dem hierin beschriebenen induktiven Drehmomentsensorsystem der Fall ist, umfasst die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 eine Kombinierschaltungsanordnung 1106D, die den Torsionswinkel delta' und optional den Drehwinkel phimech' unter Verwendung der Winkel phi1' und phi2' berechnen kann. Zu diesem Zweck umfassen Ausführungsbeispiele, dass die Kombinierschaltungsanordnung 11060 mit einer beliebigen geeigneten Art von Prozessorschaltungsanordnung implementiert wird, um die berechneten Winkel phi1' und phi2' zu kombinieren, um den Torsionswinkel delta' abzuleiten (gestrichene Quantitäten werden von dem Sensorsystem abgeleitet, wohingegen ungestrichene die realen physikalischen Quantitäten sind).
Ein Beispiel dieser Ableitung ist unter Verwendung der Graphen in 12A bis 12B für ein induktives Drehmomentsensorsystem gezeigt, bei dem k1 = 5, k2 = 6 und der Torsionswinkel delta 3° beträgt. Die Graphen in 12C bis 12D stellen ein weiteres Beispiel dar, bei dem k1 = 5, k2 = 6 und der Torsionswinkel delta -3° beträgt. Die Graphen in 12A und 12C zeigen die verschiedenen Drehpositionen der drehbaren Antriebswelle 1002 (phimech') gegenüber den verschiedenen Drehpositionen der Winkel phi1' und phi2' der Zielspulen 1014, 1016.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kombinierschaltungsanordnung 1106D dazu konfiguriert, den Torsionswinkel delta' aus den verschiedenen Drehpositionen der Winkel phi1' und phi2' der Zielspulen 1014, 1016 unter Verwendung der folgenden Gleichung zu berechnen: $delta'=phi1'/k1-phi2'/k2+360°* (m1/k1-m2/k2);$
wobei m1 und m2 Ganzzahlwerte sind, die zwischen m1 = 0,1,...k1-1 und m2 = 0,1,...k2 liegen. Die Werte m1, m2 werden derart gewählt, dass die resultierende Lösung für den Torsionswinkel delta' den kleinsten Absolutwert aufweist. Mit anderen Worten, aufgrund der verschiedenen k-fachen Periodizitäten bei den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010, gibt es mehrere Lösungen, die für den Torsionswinkel delta' unter Verwendung der obigen Gleichung 3 für verschiedene Drehpositionen der Zielspulen phi1' und phi2' existieren. Der Term 360°*(m1/k1-m2/k2) wendet sich der Ambiguität dieser mehreren Lösungen zu, indem er die ganzzahligen Werte m1, m2 verwendet, die anfänglich unbekannte Werte sind, jedoch anhand eines iterativen Berechnens von Lösungen für den Torsionswinkel delta' unter Verwendung des eindeutigen Satzes von m1 und m2 Werten gemäß den oben definierten Bereichen identifiziert werden können, die gemäß Gleichung 3 den kleinsten Absolutwert für delta' ergeben. Dieser kleinste Absolutwert des Torsionswinkels delta' wird somit als der gemessene Torsionswinkel identifiziert, der dem induktiven Drehmomentsensorsystem zugeordnet ist. Optional kann gleichermaßen der Winkel der drehbaren Antriebswelle 1002 (phimech') berechnet werden. Die Graphen in 12B und 12D zeigen ein Beispiel des Ergebnisses der Berechnung der Werte m1 und m2 für die verschiedenen Drehmomentwinkel deltas 3° bzw. -3°, was die Beziehung zwischen dem Winkel der drehbaren Antriebswelle 1002 (phimech') und den ausgewählten m1 und m2 Werten veranschaulicht.
Wiederum existieren mehrere Lösungen für den Torsionswinkel delta' gemäß der obigen Gleichung 3, und die Anzahl von m1 und m2 Werten, und somit die Anzahl von Iterationen, die zum Identifizieren der eindeutigen Lösung nötig sind, nimmt mit zunehmenden k-fachen Periodizitäten k1, k2 der Aufnahmespulensysteme 1008, 1010 zu. Deshalb umfassen Ausführungsbeispiele eine Alternative zum Berechnen aller Kombinationen m1, m2. Gemäß derartigen Ausführungsbeispielen kann die Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 eine Nachschlagtabelle (LUT, lookup table) 1106G oder äquivalente Korrekturmaßnahmen (z. B. Algorithmen oder funktionale Beziehungen mit Koeffizienten, die in einem auf der Platine vorhandenen Speicher gespeichert sind) umfassen, um die Winkelgenauigkeit des Systems zu verbessern, auf das durch die Kombinierschaltungsanordnung 1106D zugegriffen wird, um zuerst die m1 und m2 Werte zu bestimmen und anschließend den Torsionswinkel delta' (und optional auch den Winkel phimech' der drehbaren Antriebswelle 1002) zu berechnen. Die in 13 gezeigten LUT-Daten können beispielsweise unter Verwendung von experimentellen oder Kalibrierungsdaten aus einem Satz von Messungen berechnet und gespeichert werden, die dem Betrieb eines induktiven Drehmomentsensorsystems (wie z. B. in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt ist) zugeordnet sind. Diese LUT kann in einer beliebigen geeigneten Art von Speicher gespeichert werden, der als Teil der Kombinierblockschaltungsanordnung 1106D oder als separate Komponente, auf die über die Kombinierschaltungsanordnung 11060 zugegriffen wird, integriert sein kann.
In jedem Fall kann die LUT 1106G einen Satz von Daten umfassen, der die m1 und m2 Werte in der 3. Spalte korreliert, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) aus der obigen Gleichung 3 darstellen (in alternativer Form (m1*360/k1-m2*360/k2) in 13 dargestellt). Mit anderen Worten liefert die in 13 gezeigte Tabelle einen Satz von vorbestimmten ganzzahligen Werten, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) mit spezifischen Kombinationen unterschiedlicher ganzzahliger Werte innerhalb des Bereichs (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2) korrelieren. Somit kann der Torsionswinkel delta' identifiziert werden, indem gemäß der obigen Gleichung 3 die Lösung des Torsionswinkels delta', die den kleinsten Absolutwert für delta' aufweist, gemäß dem Term 360°*(m1/k1-m2/k2), zu dem ersten Term phi1'/k1-phi2'/k2 hinzuaddiert wird. Ein Beispiel des Inhalts einer derartigen LUT ist in 13 in aufsteigender Reihenfolge gezeigt. Die Ausführungsbeispiele, bei denen die LUT-Tabelle oder geeignete Korrekturmaßnahmen besonders nützlich sein können, beispielsweise wenn die k1-, k2-Periodizitäten groß sind und/oder wenn es wünschenswert ist, Verarbeitungsressourcen zu reduzieren und/oder die Geschwindigkeit, mit der der Torsionswinkel delta' berechnet wird, zu erhöhen.
Zusätzliche Einzelheiten bezüglich der Verwendung eines wieder anderen Algorithmus, der einen von den oben beschriebenen Berechnungen getrennten Satz von Berechnungen verwendet, um den Torsionswinkel zu berechnen, sind im Anhang am Ende dieser Offenbarung bereitgestellt. Jedoch unterscheidet sich das Gesamtkonzept, das im Anhang in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Gleichung 3 insofern implementiert wird, als der im Anhang gezeigte und beschriebene Algorithmus nicht explizit die Drehpositionen phi1' und phi2' der Zielspulen 1008, 1010 berechnen muss. Stattdessen kann der in dem Anhang beschriebene Algorithmus immer noch die Signale verwenden, die durch jede Spule in den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 ausgegeben werden und die der jeweiligen SP-Schaltungsanordnung 1106B, 1106B' bereitgestellt werden, wie oben unter Bezugnahme auf 11A bis 11B angegeben wurde. Jedoch kann gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen der Anhangsalgorithmus implementiert ist, die Zielspulendrehverschiebungsberechnungsschaltungsanordnung 1106C, 1106C' weggelassen werden, und die SP-Schaltungsanordnung 1106B, 1106B (und/oder die Kombinierblockschaltungsanordnung 1106D) kann die Kombinationen von demodulierten und normierten Signalen a-c, b+d, a+c, b-d berechnen, eine Arkustangensfunktion auf Paare dieser Signale anwenden, um Zwischenwerte A, B abzuleiten, gewichtete Summen von A, B gemäß Anhang-Gleichung 14(a,b) berechnen und den Torsionswinkel unter Verwendung der äußersten rechten N Bits gemäß einer digitalen Verarbeitungstechnik berechnen.
Mit anderen Worten und unter fortgesetzter Bezugnahme auf den Anhang-Algorithmus beginnt der Algorithmus mit Signalen a', b', die von induzierten Signalen in Aufnahmespulen in dem Aufnahmespulensystem 1008 mit einer k1-fachen Periodizität abgeleitet sind, und mit Signalen c', d', die von induzierten Signalen in Aufnahmespulen in dem Aufnahmespulensystem 1010 mit einer k2-fachen Periodizität abgeleitet sind. Der Algorithmus normiert diese Amplituden anschließend (z. B. über die SP-Schaltungsanordnung 1106B, 1106B'), um die Quantitäten a, b, c, d zu ergeben. Als Nächstes kombiniert der Algorithmus a-c, b+d, a+c und b-d. Der Algorithmus berechnet anschließend Arkustangens aus Paaren dieser Quantitäten, was die Zwischenquantitäten A, B ergibt. Die Zwischenquantitäten A, B werden anschließend linear mit Koeffizienten (m1, m2) kombiniert, die in Abhängigkeit von k1, k2 feststehend sind (d. h. vorbestimmt sind, oder es wird über einen Speicher auf sie zugegriffen), und subtrahiert von dieser Kombination einen Term, der das Ergebnis in ein primitives Intervall erlaubter Torsionswinkel verschiebt. Nachdem also die Kombination von m1 und m2 Werten identifiziert wird, die dem Intervall erlaubter Torsionswinkel entspricht, wird der Torsionswinkel delta' anhand der resultierenden verschobenen Kombination durch eine Trennung von niedrigeren und höheren Abschnitten dieser binären Darstellungen identifiziert, um den Torsionswinkel delta und den Koeffizienten m2 abzuleiten, wie in Gleichung (14a) gezeigt ist.
Die gemäß den hierin dargelegten Ausführungsbeispielen durchgeführten verschiedenen Verarbeitungsschritte können durch beliebige geeignete Verarbeitungskomponenten, Hardwarekomponenten, Softwarekomponenten oder Kombinationen derselben durchgeführt werden. Überdies können die Verarbeitungsschritte der verschiedenen Algorithmen durch einen beliebigen geeigneten Abschnitt und/oder durch (eine) beliebige geeignete Komponente(n) der Drehmomentwinkelberechnungsschaltungsanordnung 1106 durchgeführt werden, wie hierin unter Bezugnahme auf 11A bis 11B gezeigt und beschrieben ist.
Der Torsionswinkel delta' kann, nachdem er bestimmt wurde, die Berechnung des übertragenen Drehmomentwerts auf der Basis einer Korrelation mit dem berechneten Torsionswinkel delta bereitstellen. Überdies können die Blöcke 1106E und 1106F die berechneten Werte für den Torsionswinkel delta' und die optionale Berechnung des Winkels der drehbaren Antriebswelle 1002 (phimech') in Abhängigkeit von dem jeweiligen Algorithmus, der für eine spezifische Anwendung implementiert ist, darstellen. Somit können die Blöcke 1106E und 1106F eine digitale Darstellung dieser Werte charakterisieren und/oder diese an einem geeigneten Speicherplatz gespeicherten Werte darstellen, die dazu verwendet werden können, die durch das induktive Drehmomentsensorsystem 1000 (z. B. in 10A bis 10B und 11A bis 11B gezeigt) erfassten Drehmomentwerte zu bestimmen.
Die Techniken dieser Offenbarung können auch in den folgenden Beispielen beschrieben werden.
Beispiel 1. Ein Drehmomentsensor, der folgende Merkmale aufweist: eine Rotorschaltungsanordnung, die eine erste Zielspule und eine zweite Zielspule umfasst, wobei die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, koaxial um ein Torsionselement herum angeordnet zu sein und sich ansprechend auf eine Drehung des Torsionselements, wenn ein Drehmoment übertragen wird, in Bezug zu einander zu drehen, um einen Torsionswinkel zu bilden, wobei die erste Zielspule eine k-fache Symmetrie einer ersten Periodizität aufweist und die zweite Zielspule eine k-fache Symmetrie einer zweiten Periodizität aufweist, die sich von der ersten Periodizität unterscheidet; und eine Statorschaltungsanordnung, die ein erstes Aufnahmespulensystem mit zumindest zwei ersten Aufnahmespulen, die dazu ausgebildet sind, koaxial um das Torsionselement herum angeordnet zu sein, und ein zweites Aufnahmespulensystem mit zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen, die dazu ausgebildet sind, koaxial um das Torsionselement herum angeordnet zu sein, umfasst, wobei die zumindest zwei ersten Aufnahmespulen eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der ersten Periodizität übereinstimmt, und die zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der zweiten Periodizität übereinstimmt, wobei die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der ersten Zielspule in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induziert werden, und auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der zweiten Zielspule in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, zu berechnen und wobei sowohl die erste Zielspule als auch die zweite Zielspule astatische Spulen sind.
Beispiel 2. Der Drehmomentsensor von Beispiel 1, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und iteratives Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)), für jede einer Kombination unterschiedlicher Ganzzahlwerte (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2), um den Torsionswinkel delta' unter Verwendung des Satzes von Ganzzahlwerten m1, m2 zu identifizieren, die den kleinsten Absolutwert für delta' ergeben, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Beispiel 3. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-2, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)) unter Verwendung eines Satzes von vorbestimmten Ganzzahlwerten, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) mit spezifischen Kombinationen von anderen Ganzzahlwerten innerhalb eines Bereichs (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2) korrelieren, um den Torsionswinkel delta' als Lösung mit einer Kombination von m1 und m2 Werten zu identifizieren, die den geringsten Absolutwert für delta' gemäß dem Term 360°*(m1/k1-m2/k2) ergibt, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Beispiel 4. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-3, bei dem die erste Zielspule und die zweite Zielspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die ein Zehntel oder weniger der Selbstinduktanz der ersten Zielspule oder der zweiten Zielspule beträgt.
Beispiel 5. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-4, bei dem: die Statorschaltungsanordnung ferner eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule aufweist, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen, die Rotorschaltungsanordnung ferner eine zweite Leistungsspule aufweist, die (i) mit der ersten Leistungsspule induktiv gekoppelt ist und (ii) mit der ersten Zielspule auf leitfähige Weise gekoppelt ist, und die in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen und den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierte Signale auf dem der ersten Leistungsspule zugeführten AC-Signal beruhen.
Beispiel 6. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-5, bei dem die zweite Leistungsspule dazu ausgebildet ist, über einen Reihenkondensator mit der ersten Zielspule gekoppelt zu werden.
Beispiel 7. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-6, bei dem die zweite Leistungsspule ferner auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist, und bei dem die Rotorschaltungsanordnung ferner eine dritte Leistungsspule aufweist, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 8. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-7, bei dem die erste Zielspule über einen oder mehrere flexible Leitungen auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 9. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-8, bei dem die erste Zielspule über das Torsionselement auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 10. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-9, bei dem: die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, auf derselben Seite der Statorschaltungsanordnung angeordnet zu sein, die erste Zielspule dazu ausgebildet ist, näher an der Statorschaltungsanordnung angeordnet zu sein als die zweite Zielspule, und die erste Periodizität der ersten Zielspule größer ist als die zweite Periodizität der zweiten Zielspule.
Beispiel 11. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-10, bei dem: jede einzelne der in dem ersten Aufnahmespulensystem enthaltenen zumindest zwei ersten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine geradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem und $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine ungeradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt ist, wobei k1 die erste Periodizität darstellt, und jede einzelne der in dem zweiten Aufnahmespulensystem enthaltenen zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine geradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem und $\frac{1}{M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine ungeradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt sind, wobei k2 die zweite Periodizität darstellt.
Beispiel 12. Der Drehmomentsensor einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-11, bei dem: die Statorschaltungsanordnung ferner eine erste Leistungsspule aufweist, die Rotorschaltungsanordnung ferner eine zweite Leistungsspule aufweist, und die erste Leistungsspule und die zweite Leistungsspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die bezüglich (i) eines Drehwinkels der ersten Leistungsspule, (ii) eines Drehwinkels der zweiten Leistungsspule sowie des Torsionswinkels konstant ist.
Beispiel 13. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 1-12, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta) durch Folgendes zu berechnen: Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen ersten Satz von Signalen a, b bereitzustellen, die auf eine vordefinierte Amplitude normiert sind; Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen zweiten Satz von Signalen c, d bereitzustellen, die auf die vordefinierte Amplitude normiert sind; Berechnen einer Zwischenquantität A unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a-c} oder (ii) arctan2{a+c, d-b}; Berechnen einer Zwischenquantität B unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a+c} oder (ii) arctan2{a-c, d-b}; Berechnen des Torsionswinkels delta durch iteratives Auswerten der Gleichung: delta = C1*A+C2*B+C3*m2, unter Verwendung verschiedener Werte für m2, bis eine Lösung für den Torsionswinkel delta identifiziert ist, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zulässiger Torsionswinkel liegt, wobei jeder der Koeffizienten C1, C2 und C3 vorbestimmte Werte sind, die von der k-fachen Symmetrie der ersten Zielspule und der k-fachen Symmetrie der zweiten Zielspule abhängig sind.
Beispiel 14. Ein Drehmomentsensorsystem, das folgende Merkmale aufweist: eine drehbare Antriebswelle; eine drehbare Abtriebswelle, die mit der drehbaren Antriebswelle gekoppelt ist, wobei die drehbare Antriebswelle und die drehbare Abtriebswelle eine gemeinsame Drehachse aufweisen und ansprechend auf die Drehung der drehbaren Antriebswelle einen Torsionswinkel zwischen sich bilden, wenn ein Drehmoment übertragen wird; eine erste Zielspule, die mit einer der drehbaren Antriebswelle oder der drehbaren Abtriebswelle gekoppelt ist und koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet ist, wobei die erste Zielspule astatisch ist und eine k-fache Symmetrie einer ersten Periodizität aufweist; eine zweite Zielspule, die mit der anderen der drehbaren Antriebswelle und der drehbaren Abtriebswelle gekoppelt ist und koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet ist, wobei die zweite Zielspule astatisch ist und eine k-fache Symmetrie einer zweiten Periodizität aufweist, die sich von der ersten Periodizität unterscheidet; ein erstes Aufnahmespulensystem, das zumindest zwei erste Aufnahmespulen aufweist, die koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet sind, wobei die zumindest zwei ersten Aufnahmespulen jeweils astatisch sind und eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit ersten Periodizität übereinstimmt; ein zweites Aufnahmespulensystem, das zumindest zwei zweite Aufnahmespulen aufweist, die dazu ausgebildet sind, koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet zu sein, wobei die zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen jeweils astatisch sind und eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der zweiten Periodizität übereinstimmt; und eine Statorschaltungsanordnung, die dazu ausgelegt ist, den Torsionswinkel auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der ersten Zielspule in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induziert werden, und auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der zweiten Zielspule in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, zu berechnen.
Beispiel 15. Das Drehmomentsensorsystem von Beispiel 14, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen; und eine zweite Leistungsspule, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) über einen Reihenkondensator auf leitfähige Weise mit der ersten Zielspule gekoppelt ist, wobei die Signale, die in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen und den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, auf dem der ersten Leistungsspule zugeführten AC-Signal beruhen.
Beispiel 16. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-15, bei dem die zweite Leistungsspule ferner auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist, und das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine dritte Leistungsspule, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 17. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-16, bei dem die erste Zielspule über eine oder mehrere flexible Leitungen auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 18. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-17, bei dem die erste Zielspule über die drehbare Abtriebswelle auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Beispiel 19. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-18, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen, und bei dem: die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, auf derselben Seite der ersten Leistungsspule angeordnet zu sein, die erste Zielspule dazu ausgebildet ist, näher an der ersten Leistungsspule angeordnet zu sein als die zweite Zielspule, und die erste Periodizität der ersten Zielspule größer ist als die zweite Periodizität der zweiten Zielspule.
Beispiel 20. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-19, bei dem: jede einzelne der in dem ersten Aufnahmespulensystem enthaltenen zumindest zwei ersten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine geradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem und $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine ungeradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt ist, wobei k1 die erste Periodizität darstellt, und jede einzelne der in dem zweiten Aufnahmespulensystem enthaltenen zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine geradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem und $\frac{1}{M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine ungeradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt sind, wobei k2 die zweite Periodizität darstellt.
Beispiel 21. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-20, bei dem die Statorschaltungsanordnung ferner eine erste Leistungsspule aufweist, und das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Rotorschaltungsanordnung, die eine zweite Leistungsspule aufweist, wobei die erste Leistungsspule und die zweite Leistungsspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die bezüglich (i) eines Drehwinkels der ersten Leistungsspule, (ii) eines Drehwinkels der zweiten Leistungsspule sowie des Torsionswinkels konstant ist.
Beispiel 22. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-21, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgelegt ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und iteratives Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)), für jede einer Kombination unterschiedlicher Ganzzahlwerte (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2), um den Torsionswinkel delta' unter Verwendung des Satzes von Ganzzahlwerten m1, m2 zu identifizieren, die den kleinsten Absolutwert für delta' ergeben, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Beispiel 23. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-22, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)) unter Verwendung eines Satzes von vorbestimmten Ganzzahlwerten, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) mit spezifischen Kombinationen von anderen Ganzzahlwerten innerhalb eines Bereichs (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2) korrelieren, um den Torsionswinkel delta' als Lösung mit einer Kombination von m1 und m2 Werten zu identifizieren, die den geringsten Absolutwert für delta' gemäß dem Term 360°*(m1/k1-m2/k2) ergibt, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Beispiel 24. Das Drehmomentsensorsystem einer beliebigen Kombination der Beispiele 14-23, bei dem die Statorschaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta) durch Folgendes zu berechnen: Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen ersten Satz von Signalen a, b bereitzustellen, die auf eine vordefinierte Amplitude normiert sind; Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen zweiten Satz von Signalen c, d bereitzustellen, die auf die vordefinierte Amplitude normiert sind; Berechnen einer Zwischenquantität A unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a-c} oder (ii) arctan2{a+c, d-b}; Berechnen einer Zwischenquantität B unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a+c} oder (ii) arctan2{a-c, d-b}; Berechnen des Torsionswinkels delta durch iteratives Auswerten der Gleichung: delta = C1*A+C2*B+C3*m2, unter Verwendung verschiedener Werte für m2, bis eine Lösung für den Torsionswinkel delta identifiziert ist, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zulässiger Torsionswinkel liegt,wobei jeder der Koeffizienten C1, C2 und C3 vorbestimmte Werte sind, die von der k-fachen Symmetrie der ersten Zielspule und der k-fachen Symmetrie der zweiten Zielspule abhängig sind.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben wurden, wird einleuchten, dass eine beliebige Anordnung, von der erwartet wird, dass sie denselben Zweck erfüllt, die gezeigten spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen kann. Die vorliegende Offenbarung soll jegliche und alle Anpassungen oder Variationen verschiedener Ausführungsbeispiele abdecken. Kombinationen der obigen Ausführungsbeispiele und andere Ausführungsbeispiele, die nicht spezifisch hierin beschrieben sind, werden Fachleuten nach Durchsicht der obigen Beschreibung einleuchten.
Ferner ist anzumerken, dass spezifische Begriffe, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, sehr breit interpretiert werden können. Beispielsweise sollen die hierin verwendeten Begriffe „Schaltung‟ oder „Schaltungsanordnung“ dahin gehend interpretiert werden, nicht nur Hardware, sondern auch Software, Firmware oder beliebige Kombinationen derselben zu umfassen. Der Begriff „Daten‟ kann dahin gehend interpretiert werden, eine beliebige Form von Repräsentationsdaten zu umfassen. Der Begriff „Informationen“ kann zusätzlich zu jeglicher Form von digitalen Informationen auch andere Formen von Repräsentationsinformationen umfassen. Der Begriff „Entität‟ oder „Einheit‟ kann bei Ausführungsbeispielen (eine) beliebige Vorrichtung, Apparaturschaltungen, Hardware, Software, Firmware, Chips oder andere Halbleiter sowie logische Einheiten oder physische Implementierungen von Protokollschichten usw. umfassen. Ferner können die Begriffe „gekoppelt“ oder „verbunden“ in einem breiten Sinn interpretiert werden, der nicht nur ein direktes, sondern auch ein indirektes Koppeln umfasst.
Ferner ist zu beachten, dass Verfahren, die in der Spezifikation oder in den Ansprüchen offenbart sind, dadurch implementiert werden können, dass eine Vorrichtung eine Einrichtung zum Durchführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben wurden, wird gewöhnlichen Fachleuten einleuchten, dass die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Offenbarung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der spezifischen hierin erörterten Ausführungsbeispiele abdecken.
ANHANG
ALGORITHMUS ZUM WIEDERGEWINNEN DES TORSIONSWINKELS VON DEN SIGNALEN IN DEN AUFNAHMESPULEN:
Ausgangspunkt:
Der in diesem Anhang erörterte Algorithmus bezieht sich auf Koeffizienten m1 und m2. Obwohl die in diesem Anhang beschriebenen m1 und m2 Werte ebenfalls Ganzzahlen sind, werden diese Werte getrennt und in einem anderen Kontext beschrieben als die gemäß dem obigen Algorithmus erörterten m1 und m2 Werte, der die Gleichung 3 implementiert und die Berechnung der Winkel phi1' und phi2' erfordert. Wiederum muss der in diesem Anhang beschriebene Algorithmus nicht die Drehposition der Zielspulen berechnen, sondern verwendet immer noch die Signale, die in den Aufnahmespulen in den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 induziert werden, die oben unter Bezugnahme auf 11A bis 11B gezeigt und beschrieben wurden.
Der Algorithmus in diesem Anhang beginnt damit, dass er von zwei Zielspulen einer k₁- und einer k₂-fachen Symmetrie ausgeht (z. B. Zielspulen 1014, 1016), die an gegenüberliegenden Enden des Torsionselements 1003 befestigt sind. Wir haben auch zwei Aufnahmespulensysteme einer k₁- und k₂-fachen Symmetrie (Aufnahmespulensysteme 1008, 1010). Wenn ein Drehmoment durch das Torsionselement 1003 übertragen wird, verdreht es die zwei Zielspulen 1014, 1016 um einen Winkel delta gegeneinander, den wir aus dem gemessenen Signal in den Aufnahmespulensystemen 1008, 1010 extrahieren wollen.
Das erste Aufnahmespulensystem 1008 einer k₁-fachen Symmetrie liefert Signale, die dahin gehend manipuliert werden können (z. B. durch Amplitudendemodulation und optional durch einige andere arithmetische Operationen wie sqrt(2)*(U-V) usw....) (sqrt = square root, Quadratwurzel), zwei Signale a', b' zu ergeben. $a' = a m p_{l} sin (k_{l} (φ + \frac{δ}{2}))$
$b' = a m p_{l} cos (k_{l} (φ + \frac{δ}{2}))$
wobei φ der Durchschnittswert mechanischer Winkel der Antriebs- und Abtriebswellen ist und δ die Differenz mechanischer Winkel von Antriebs- und Abriebswellen ist, d. h. der Torsionswinkel. Das zweite Aufnahmespulensystem 1010 einer k₂-fachen Symmetrie liefert Signale c', d'. $c' = a m p_{2} sin (k_{2} (φ - \frac{δ}{2}))$
$d' = a m p_{2} cos (k_{2} (φ - \frac{δ}{2}))$
Man beachte, dass jedes Aufnahmespulensystem zwei astatische Spulen (SIN+COS) oder drei Nicht-Spulen (U,V,W), die nicht astatisch sein müssen, aufweisen kann. Im Fall von SIN+COS-Spulen liefern sie direkt Sinus- und Cosinussignale wie bei (1a,b). Im Fall von U,V,W kann man sie kombinieren, so dass sie Sinus- und Cosinussignale wie bei (1a,b) ergeben.
Normierung:
Man beachte ferner, dass die Signale (1a,b) eine andere Amplitude aufweisen könnten als die Signale (2a,b): amp₁ ≠ amp₂. Falls die Amplituden sich zu stark unterscheiden, führt dies zu Ungenauigkeiten bei der Berechnung von δ. In solchen Fällen könnte es notwendig sein, sie auf eine gewisse vordefinierte Amplitude (z. B. auf eine Amplitude von 1) zu normieren. Die Kombinierschaltungsanordnung 1106D kann dies anhand der folgenden Berechnung im digitalen Bereich bewerkstelligen: $a = \frac{a'}{\sqrt{{(a')}^{2} + {(b')}^{2}}} = sin (k_{1} (φ + \frac{δ}{2}))$
$b = \frac{b'}{\sqrt{{(a')}^{2} + {(b')}^{2}}} = cos (k_{1} (φ + \frac{δ}{2}))$
$c = \frac{c'}{\sqrt{{(c')}^{2} + {(d')}^{2}}} = sin (k_{2} (φ - \frac{δ}{2}))$
$d = \frac{d'}{\sqrt{{(c')}^{2} + {(d')}^{2}}} = cos (k_{2} (φ - \frac{δ}{2}))$
Unterschiedliche Amplituden können durch unterschiedliche Luftspalte zwischen der Zielspule 1014 und dem Aufnahmespulensystem 1008 sowie der Zielspule 1016 und dem Aufnahmespulensystem 1010 und/oder dadurch, dass k₁ sich von k₂ unterscheidet, bewirkt werden. Da die Berechnung der Quadrate und Quadratwurzeln viele elektronische Ressourcen benötigt, besteht eine Option ferner darin, und es ist bevorzugt, identische Luftspalte aufzuweisen und die unterschiedlichen k₁, k₂ durch eine Multiplikation der Signale des Aufnahmespulensystems 1008, 1010, die das größere k₁, k₂ aufweisen, mit einem Faktor, der etwas größer ist als 1, zu berücksichtigen. Der korrekte Wert kann somit über eine numerische Simulation des Systems oder durch eine experimentelle Verifikation im Labor an Prototypen ermittelt werden.
Somit kann angenommen werden, dass: $k_{2} = k_{1} + d k$
Alle drei Zahlen k₁, k₂, dk sind positive Ganzzahlen. Als Nächstes führen wir den Durchschnitt von k₁, k₂ als k ein. $k_{1} = k - \frac{d k}{2}$
$k_{2} = k + \frac{d k}{2}$
Mathematische Transformation von Signalen:
Eine Einfügung von (6a,b) in (3a,b) und (4a,b) liefert nach Anwendung einiger grundlegender trigonometrischer Formeln: $a = sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ) + cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$b = cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ) - sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$c = sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ) -cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$d = cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ) + sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
Ein paarweises Kombinieren dieser Gleichungen ergibt: $a - c = 2 cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$b - d = 2 cos (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$a + c = 2 sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) cos (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
$d - b = 2 sin (k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}) sin (k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ)$
Aus (9a-d) folgt: $FALLS {(b + d)}^{2} + {(a - c)}^{2} \neq 0 {DANN arctan}_{2} {b + d, a - c} = k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ + 2 π m_{1}$
$FALLS {(a + c)}^{2} + {(d - b)}^{2} \neq 0 {DANN arctan}_{2} {a + c, d - b} = k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ + 2 π m_{1}$
wobei m₁ eine positive oder negative ganzzahlige Zahl ist, die das Ergebnis auf der rechten Seite von (10a,b) in das Intervall [0,360°). Man beachte, dass durch alle Umstände genau eine der FALLS-Bedingungen in (10a,b) erfüllt ist. Es kann nicht geschehen, dass Cosinus und Sinus von $k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2}$
gleich null ist. Dies bedeutet, dass bei (10a,b) die Kombinierschal-tungsanordnung 1106D Folgendes berechnen kann: $\begin{array}{l} FALLS {(b + d)}^{2} + {(a - c)}^{2} \neq 0 DANN A = {arctan}_{2} {b + d, a - c} \\ ANDERNFALLS A = {arctan}_{2} {a + c, d - b} \end{array}$
Oder alternativ dazu kann die Kombinierschaltungsanordnung 1106D Folgendes berechnen: $\begin{array}{l} FALLS {(b + d)}^{2} + {(a - c)}^{2} > {(a + c)}^{2} + {(d - b)}^{2} DANN A = {arctan}_{2} {b + d, a - c} \\ ANDERNFALLS A = {arctan}_{2} {a + c, d - b} \end{array}$
und es gilt immer, dass: $A = k \frac{δ}{2} - \frac{d k}{2} φ 2 π m_{1}$
Aus (9a-d) folgt außerdem, dass: $FALLS {(b + d)}^{2} + {(a + c)}^{2} \neq 0 {DANN arctan}_{2} {b + d, a + c} = k φ - \frac{d k}{2} \frac{δ}{2} + 2 π m_{2}$
Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Arctan₂-Funktion zu definieren, die lediglich Werte im Bereich [-270°,90°) ausgibt. Dies kann durchgeführt werden, indem man die ursprüngliche Arctan₂-Funktion mit einem Ausgabebereich [0°,360°) nimmt und von ihrem Ergebnis 270° subtrahiert. Bei einer derartigen neuen Arctan₂-Funktion können wir m₁ = 0 einstellen, und dies erleichtert die Lösung unseres Problems beträchtlich. Dann müssen wir m₂ finden, so dass auch die rechte Seite von (13b) in dem Intervall [-270°,90°) liegt.
Das Lösen des linearen Systems der Gleichungen (11 b), (13b) für δ und φ ergibt: $δ = \frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B - \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} m_{2}$
$φ = \frac{2 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 k}{4 k^{2} - d k^{2}} B - \frac{360 ° \times 4 k}{4 k^{2} - d k^{2}} m_{2}$
Die Brüche vor A, B, und m₂ sind Konstanten, falls die k_1- k₂-fachen Symmetrien feststehend sind. Sie können als einfache Koeffizienten in dem Speicher der Kombinierschaltungsanordnung 11060 oder einen anderen geeigneten Speicher gespeichert werden, auf den durch die Kombinierschaltungsanordnung 1106D zugegriffen werden kann. Somit sind (14a,b) einfache Multiplikationen und Additionen. Somit kann die lineare Kombination, wie sie in Gleichung 14a gezeigt ist, alternativ als C1*A+C2*B+C3*m2, dargestellt werden, wobei C1, C2 und C3 die Brüche in der Gleichung 14a darstellen. Desgleichen kann die lineare Kombination, wie sie in Gleichung 14b gezeigt ist, alternativ als D1*A+D2*B+D3*m2 dargestellt werden, wobei D1, D2 und D3 die Brüche in der Gleichung 14b darstellen.
Schließlich muss die Kombinierschaltungsanordnung 1106D lediglich mehrere Werte für m₂ in (14a) ausprobieren, so dass δ innerhalb von [-9°, +9°] liegt. Nachdem sie einen geeigneten Wert für m₂ gefunden hat, kann sie ihn in (14b) einfügen und φ berechnen.
Dieser „m₂ ausprobieren“-Algorithmus wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Die Schrittgröße in (14a) beträgt $\frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}}$
, was 12° für k1=5, k2=6 beträgt. Dies würde NICHT für den Bereich [-9°, +9°] für δ funktionieren. Man nehme an, dass der Torsionswinkel 8° beträgt. Das System würde (14a) berechnen, wobei es mit m₂ = 0 beginnt. Man nehme an, dass dies bereits das Ergebnis 8° liefert. Als Nächstes würde das System m₂ = -1 ausprobieren. Dies würde eine sogar noch geringere Größe ergeben, da 8°-12° = -4° eine noch geringere Größe aufweist. Somit würde es das Ergebnis von -4° Torsionswinkel ergeben, was falsch ist, da wir sagten, dass der Torsionswinkel 8° beträgt.
Für einen Bereich von Torsionswinkeln von -9° to +9° sollten wir k1=4 und k2=5 wählen. Dann wird die Schrittgröße in (14a) 18°. Deshalb findet das System genau EINEN Wert innerhalb von [-9°,+9°], wenn es den Nulldurchgang für 8 durchschreitet.
Dies bedeutet, dass die Schrittgröße in (14a) gleich der oder größer als die Spanne von möglichen Torsionswinkeln sein muss.
„m₂ ausprobieren“- Algorithmus:
Das System führt die Berechnung (14a) im digitalen Bereich durch. Hier muss der Digital Design Engineer entscheiden, wie viele Bits für die Darstellung des Torsionswinkels benötigt werden. Zu diesem Zweck definieren wir, dass 1 LSB einem Winkel $\frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} \times \frac{1}{2^{N}}$
entsprechen sollte, wobei N eine natürliche Zahl ist.
Mit anderen Worten bedeutet die Binärzahl 1000...000bin (mit N Nullen) einen Winkel von $\frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} .$
Nun sei angenommen, das System verwendet M+N Bits, um $\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B$
in (14a) darzustellen, wobei M irgendeine natürliche Zahl ist. Betrachten wir einige Fälle, bei denen die Kombinierschaltungsanordnung 1106D $\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B$
in binärer Darstellung berechnet und den Wert für m₂ ausgibt, so dass (14a) innerhalb des primitiven Intervalls $[0, \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}}]$
liegt: $\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B = \underset{M}{\underset{︸}{0 \dots 0}} \underset{N}{\underset{︸}{0 \dots 01}}_{bin} = \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} \times \frac{1}{2^{N}} \Rightarrow m_{2} = 0$
$\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B = \underset{M}{\underset{︸}{0 \dots 0}} \underset{N}{\underset{︸}{0 \dots 01 1}}_{bin} = \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} \times \frac{3}{2^{N}} \Rightarrow m_{2} = 0$
$\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B = \underset{M}{\underset{︸}{0 \dots 01}} \underset{N}{\underset{︸}{0 \dots 01 1}}_{bin} = \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} \times (1 + \frac{3}{2^{N}}) \Rightarrow m_{2} = 1$
$\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B = \underset{M}{\underset{︸}{0 \dots 010}} \underset{N}{\underset{︸}{0 \dots 011}}_{bin} = \frac{360 ° \times 4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} \times (5 + \frac{3}{2^{N}}) \Rightarrow m_{2} = 5$
Wir sehen also, dass die binäre Darstellung von m₂ einfach die äußersten linken M Bits ist. Mit anderen Worten muss die Kombinierschaltung 11060 nicht verschiedene Werte für m₂ „ausprobieren“. Stattdessen nimmt sie einfach die äußersten linken M Bits in der binären Darstellung von $\frac{8 k}{4 k^{2} - d k^{2}} A + \frac{4 d k}{4 k^{2} - d k^{2}} B,$
, um (-1)*m₂ aufzuweisen. Und sie nimmt ein-fach die äußersten rechten N Bits, um den Torsionswinkel aufzuweisen, ohne m₂ berechnen zu müssen (in der Tat wird m₂ explizit lediglich für (14b) benötigt).
Es ist zu beachten, dass dieser Algorithmus lediglich positive Verdrehungswinkel berücksichtigt. Jedoch kann ein Digital Design Engineer bekannte Techniken verwenden, um den Algorithmus für positive und negative Verdrehungswinkel zu verallgemeinern. Die allgemeine Botschaft besteht darin, dass dann, wenn ein digitales System auf intelligente Weise entworfen ist, der Vorgang des „Ausprobierens‟ unter Verwendung einfacher digitaler Manipulationen sehr effizient und rasch durchgeführt werden kann.

Claims

Drehmomentsensor, der folgende Merkmale aufweist: eine Rotorschaltungsanordnung (1102), die eine erste Zielspule und eine zweite Zielspule umfasst, wobei die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, koaxial um ein Torsionselement (1003) herum angeordnet zu sein und sich ansprechend auf eine Drehung des Torsionselements, wenn ein Drehmoment übertragen wird, in Bezug zu einander zu drehen, um einen Torsionswinkel zu bilden, wobei die erste Zielspule eine k-fache Symmetrie einer ersten Periodizität aufweist und die zweite Zielspule eine k-fache Symmetrie einer zweiten Periodizität aufweist, die sich von der ersten Periodizität unterscheidet; und eine Statorschaltungsanordnung (1104), die ein erstes Aufnahmespulensystem (802; 1008) mit zumindest zwei ersten Aufnahmespulen, die dazu ausgebildet sind, koaxial um das Torsionselement herum angeordnet zu sein, und ein zweites Aufnahmespulensystem (804; 1010) mit zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen, die dazu ausgebildet sind, koaxial um das Torsionselement herum angeordnet zu sein, umfasst, wobei die zumindest zwei ersten Aufnahmespulen eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der ersten Periodizität übereinstimmt, und die zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der zweiten Periodizität übereinstimmt, wobei die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der ersten Zielspule in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induziert werden, und auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der zweiten Zielspule in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, zu berechnen und wobei sowohl die erste Zielspule als auch die zweite Zielspule astatische Spulen sind.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems (802; 1008) auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems (804; 1010) auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und iteratives Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)), für jede einer Kombination unterschiedlicher Ganzzahlwerte (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2), um den Torsionswinkel delta' unter Verwendung des Satzes von Ganzzahlwerten m1, m2 zu identifizieren, die den kleinsten Absolutwert für delta' ergeben, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems (802; 1008) auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems (804; 1010) auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und Auswerten der Gleichung: delta' = (phi1'/k1)-(phi2'/k2)+(360°*(m1/k1-m2/k2)) unter Verwendung eines Satzes von vorbestimmten Ganzzahlwerten, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) mit spezifischen Kombinationen von anderen Ganzzahlwerten innerhalb eines Bereichs (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2) korrelieren, um den Torsionswinkel delta' als Lösung mit einer Kombination von m1 und m2 Werten zu identifizieren, die den geringsten Absolutwert für delta' gemäß dem Term 360°*(m1/k1-m2/k2) ergibt, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Zielspule und die zweite Zielspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die ein Zehntel oder weniger der Selbstinduktanz der ersten Zielspule oder der zweiten Zielspule beträgt.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem: die Statorschaltungsanordnung (1104) ferner eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule aufweist, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen, die Rotorschaltungsanordnung (1102) ferner eine zweite Leistungsspule aufweist, die (i) mit der ersten Leistungsspule induktiv gekoppelt ist und (ii) mit der ersten Zielspule auf leitfähige Weise gekoppelt ist, und die in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen und den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierte Signale auf dem der ersten Leistungsspule zugeführten AC-Signal beruhen.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 5, bei dem die zweite Leistungsspule dazu ausgebildet ist, über einen Reihenkondensator mit der ersten Zielspule gekoppelt zu werden.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die zweite Leistungsspule ferner auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist, und bei dem die Rotorschaltungsanordnung (1102) ferner eine dritte Leistungsspule aufweist, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Zielspule über einen oder mehrere flexible Leitungen auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Zielspule über das Torsionselement (1003) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem: die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, auf derselben Seite der Statorschaltungsanordnung angeordnet zu sein, die erste Zielspule dazu ausgebildet ist, näher an der Statorschaltungsanordnung (1104) angeordnet zu sein als die zweite Zielspule, und die erste Periodizität der ersten Zielspule größer ist als die zweite Periodizität der zweiten Zielspule.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem: jede einzelne der in dem ersten Aufnahmespulensystem (802; 1008) enthaltenen zumindest zwei ersten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine geradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem und $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine ungeradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt ist, wobei k1 die erste Periodizität darstellt, und jede einzelne der in dem zweiten Aufnahmespulensystem (804; 1010) enthaltenen zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine geradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem und $\frac{1}{M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine ungeradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt sind, wobei k2 die zweite Periodizität darstellt.
Drehmomentsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem: die Statorschaltungsanordnung (1104) ferner eine erste Leistungsspule aufweist, die Rotorschaltungsanordnung (1102) ferner eine zweite Leistungsspule aufweist, und die erste Leistungsspule und die zweite Leistungsspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die bezüglich (i) eines Drehwinkels der ersten Leistungsspule, (ii) eines Drehwinkels der zweiten Leistungsspule sowie des Torsionswinkels konstant ist.
Drehmomentsensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta) durch Folgendes zu berechnen: Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen ersten Satz von Signalen a, b bereitzustellen, die auf eine vordefinierte Amplitude normiert sind; Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen zweiten Satz von Signalen c, d bereitzustellen, die auf die vordefinierte Amplitude normiert sind; Berechnen einer Zwischenquantität A unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a-c} oder (ii) arctan2{a+c, d-b}; Berechnen einer Zwischenquantität B unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a+c} oder (ii) arctan2{a-c, d-b}; und Berechnen des Torsionswinkels delta durch iteratives Auswerten der Gleichung: delta = C1*A+C2*B+C3*m2, unter Verwendung verschiedener Werte für m2, bis eine Lösung für den Torsionswinkel delta identifiziert ist, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zulässiger Torsionswinkel liegt, wobei jeder der Koeffizienten C1, C2 und C3 vorbestimmte Werte sind, die von der k-fachen Symmetrie der ersten Zielspule und der k-fachen Symmetrie der zweiten Zielspule abhängig sind.
Drehmomentsensorsystem (1000), das folgende Merkmale aufweist: eine drehbare Antriebswelle (1002); eine drehbare Abtriebswelle (1004), die mit der drehbaren Antriebswelle (1002) gekoppelt ist, wobei die drehbare Antriebswelle und die drehbare Abtriebswelle eine gemeinsame Drehachse aufweisen und ansprechend auf die Drehung der drehbaren Antriebswelle einen Torsionswinkel zwischen sich bilden, wenn ein Drehmoment übertragen wird; eine erste Zielspule, die mit einer der drehbaren Antriebswelle (1002) oder der drehbaren Abtriebswelle (1004) gekoppelt ist und koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet ist, wobei die erste Zielspule astatisch ist und eine k-fache Symmetrie einer ersten Periodizität aufweist; eine zweite Zielspule, die mit der anderen der drehbaren Antriebswelle (1002) und der drehbaren Abtriebswelle (1004) gekoppelt ist und koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet ist, wobei die zweite Zielspule astatisch ist und eine k-fache Symmetrie einer zweiten Periodizität aufweist, die sich von der ersten Periodizität unterscheidet; ein erstes Aufnahmespulensystem (802; 1008), das zumindest zwei erste Aufnahmespulen aufweist, die koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet sind, wobei die zumindest zwei ersten Aufnahmespulen jeweils astatisch sind und eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit ersten Periodizität übereinstimmt; ein zweites Aufnahmespulensystem (804; 1010), das zumindest zwei zweite Aufnahmespulen aufweist, die dazu ausgebildet sind, koaxial um die gemeinsame Drehachse herum angeordnet zu sein, wobei die zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen jeweils astatisch sind und eine k-fache Symmetrie aufweisen, die mit der zweiten Periodizität übereinstimmt; und eine Statorschaltungsanordnung (1104), die dazu ausgelegt ist, den Torsionswinkel auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der ersten Zielspule in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induziert werden, und auf der Basis von Signalen, die über eine induktive Kopplung mit der zweiten Zielspule in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, zu berechnen.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß Anspruch 14, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen; und eine zweite Leistungsspule, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) über einen Reihenkondensator auf leitfähige Weise mit der ersten Zielspule gekoppelt ist, wobei die Signale, die in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen und den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induziert werden, auf dem der ersten Leistungsspule zugeführten AC-Signal beruhen.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß Anspruch 15, bei dem die zweite Leistungsspule ferner auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist, und das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine dritte Leistungsspule, die (i) induktiv mit der ersten Leistungsspule gekoppelt ist und (ii) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die erste Zielspule über eine oder mehrere flexible Leitungen auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die erste Zielspule über die drehbare Abtriebswelle (1004) auf leitfähige Weise mit der zweiten Zielspule gekoppelt ist.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine mit einem Oszillator gekoppelte erste Leistungsspule, wobei der Oszillator dazu ausgelegt ist, der ersten Leistungsspule ein Wechselstromsignal (AC-Signal) zuzuführen, und bei dem: die erste Zielspule und die zweite Zielspule jeweils dazu ausgebildet sind, auf derselben Seite der ersten Leistungsspule angeordnet zu sein, die erste Zielspule dazu ausgebildet ist, näher an der ersten Leistungsspule angeordnet zu sein als die zweite Zielspule, und die erste Periodizität der ersten Zielspule größer ist als die zweite Periodizität der zweiten Zielspule.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem: jede einzelne der in dem ersten Aufnahmespulensystem (802; 1008) enthaltenen zumindest zwei ersten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine geradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem und $\frac{1}{N} (\frac{360 °}{k 1})$
für eine ungeradzahlige Anzahl N von Spulen in dem ersten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt ist, wobei k1 die erste Periodizität darstellt, und jede einzelne der in dem zweiten Aufnahmespulensystem (804; 1010) enthaltenen zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen von einer anderen in einer Umfangsrichtung gemäß der Funktion $\frac{1}{2 M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine geradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem und $\frac{1}{M} (\frac{360 °}{k 2})$
für eine ungeradzahlige Anzahl M von Spulen in dem zweiten Aufnahmesystem rotatorisch versetzt sind, wobei k2 die zweite Periodizität darstellt.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) ferner eine erste Leistungsspule aufweist, und das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Rotorschaltungsanordnung (1102), die eine zweite Leistungsspule aufweist, wobei die erste Leistungsspule und die zweite Leistungsspule eine gegenseitige Induktanz zwischen sich aufweisen, die bezüglich (i) eines Drehwinkels der ersten Leistungsspule, (ii) eines Drehwinkels der zweiten Leistungsspule sowie des Torsionswinkels konstant ist.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgelegt ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems (802; 1008) auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems (804; 1010) auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und Iteratives Auswerten der Gleichung: $delta' = (phi1'/k1) - (phi2'/k2) + (360 ° * (m1/k1-m2/k2));$
für jede einer Kombination unterschiedlicher Ganzzahlwerte (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2), um den Torsionswinkel delta' unter Verwendung des Satzes von Ganzzahlwerten m1, m2 zu identifizieren, die den kleinsten Absolutwert für delta' ergeben, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta') durch Folgendes zu berechnen: Berechnen einer Drehposition phi1' der ersten Zielspule bezüglich des ersten Aufnahmespulensystems (802; 1008) auf der Basis der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale; Berechnen einer Drehposition phi2' der zweiten Zielspule bezüglich des zweiten Aufnahmespulensystems (804; 1010) auf der Basis der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale; und Auswerten der Gleichung: $delta' = (phi1'/k1) - (phi2'/k2) + (360 ° * (m1/k1-m2/k2))$
unter Verwendung eines Satzes von vorbestimmten Ganzzahlwerten, die den Term 360°*(m1/k1-m2/k2) mit spezifischen Kombinationen von anderen Ganzzahlwerten innerhalb eines Bereichs (0 ≤ m1 ≤ k1-1) und (0 ≤ m2 ≤ k2) korrelieren, um den Torsionswinkel delta' als Lösung mit einer Kombination von m1 und m2 Werten zu identifizieren, die den geringsten Absolutwert für delta' gemäß dem Term 360°*(m1/k1-m2/k2) ergibt, wobei k1 die k-fache Symmetrie der ersten Zielspule mit einer ersten Periodizität darstellt und wobei k2 die k-fache Symmetrie der zweiten Zielspule mit einer zweiten Periodizität darstellt.
Drehmomentsensorsystem (1000) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 23, bei dem die Statorschaltungsanordnung (1104) dazu ausgebildet ist, den Torsionswinkel (delta) durch Folgendes zu berechnen: Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei ersten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen ersten Satz von Signalen a, b bereitzustellen, die auf eine vordefinierte Amplitude normiert sind; Durchführen einer Amplitudendemodulation und einer Normierung der in den zumindest zwei zweiten Aufnahmespulen induzierten Signale, um einen zweiten Satz von Signalen c, d bereitzustellen, die auf die vordefinierte Amplitude normiert sind; Berechnen einer Zwischenquantität A unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a-c} oder (ii) arctan2{a+c, d-b}; Berechnen einer Zwischenquantität B unter Verwendung zumindest eines von (i) arctan2{b+d, a+c} oder (ii) arctan2{a-c, d-b}; Berechnen des Torsionswinkels delta durch iteratives Auswerten der Gleichung: delta = C1*A+C2*B+C3*m2, unter Verwendung verschiedener Werte für m2, bis eine Lösung für den Torsionswinkel delta identifiziert ist, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zulässiger Torsionswinkel liegt, wobei jeder der Koeffizienten C1, C2 und C3 vorbestimmte Werte sind, die von der k-fachen Symmetrie der ersten Zielspule und der k-fachen Symmetrie der zweiten Zielspule abhängig sind.