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Die vorliegende Erfindung betrifft einen linearen Wirbelstrom-Positionssensor, mit einem ersten Sensorteil und einem relativ zum ersten Sensorteil beweglichen zweiten Sensorteil, wobei das erste Sensorteil eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, die sich jeweils in einer Längserstreckung zur Bewegungsrichtung der Sensorteile, erstrecken, wobei die erste Spule mit einer ersten Steuereinrichtung und die zweite Spule mit einer zweiten Steuereinrichtung zur Ermittlung der Impedanz der jeweiligen Spule, gekoppelt ist, und das zweite Sensorteil als ein elektrisch und/oder magnetisch leitfähiges Sensortarget ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Fahrzeuglenkung.
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Ein wachsender Bedarf an individueller Mobilität, eine zunehmende Anzahl von Autos und steigende Pkw-Dimensionen erfordern Maßnahmen zur Verbesserung der Parksituation in städtischen Gebieten. Neben Aspekten wie städtische Verdichtung und steigende Fahrzeugzahlen führen stetig steigende Fahrzeugabmessungen zu Parkplatzknappheit und komplizierten Parkvorgängen. Ein Weg zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Umsetzung neuer Fahrzeug- und Transportkonzepte, die auf die Substitution konventioneller Pkw abzielen. Alternative Fahrzeugaufbauten und neue Lenkungstechnologien sind in der Lage, spezifische Park- und wichtige Kundenanforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
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Aus diesem Grund werden derartige PKWs zunehmend auch mit einer Hinterachslenkung versehen, was die Manövrierbarkeit dieser Fahrzeuge deutlich verbessert und insbesondere auch ein automatisches Einparken des PKWs unterstützt. Zur Aktuierung der Hinterachslenkung werden üblicherweise elektrisch und/oder hydraulisch betätigbare Aktoren eingesetzt, wobei es zur Steuerung der Hinterachslenkung aus ersichtlichen sicherheitsrelevanten Überlegungen wichtig ist, die genaue Position des Aktors bzw. der Hinterachslenkung sicher und möglichst exakt zu detektieren.
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Aus der
DE 10 2018 130 228 A1 ist ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend eine Schubstange, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist und eine Verdrehsicherung aufweist. Dabei ist eine Sensoreinheit integriert in das Gehäuse des Hinterachslenkungsaktuators vorgesehen.
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In der
DE 10 2008 032 046 A1 wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines Positionsbestimmungssystems eines Hinterachslenkungsaktuators für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Der Hinterachslenkungsaktuator weist dabei ein Aktuatorelement auf, das durch eine Drehbewegung eines Rotors zu einer translatorischen Bewegung antreibbar ist und dessen geometrische Mittellage mittels einer Referenzmessung bestimmt wird. Das Positionsbestimmungssystem umfasst einen Linearsensor und einen Drehsensor. Während der Kalibrierung des Positionsbestimmungssystems wird eine Kalibrierungsinformation erzeugt, die beispielsweise eine Nullpunktinformation des Linearsensors und eine Sektorinformation umfasst. Der Messbereich des Drehsensors wird in zumindest zwei Sektoren unterteilt, wobei derjenige Sektor identifiziert wird, in dem die durch den Drehsensor erfasste Winkellage des Rotors liegt, wenn das Aktuatorelement zum Beispiel in seiner geometrischen Mittellage angeordnet ist. Die Kalibrierungsinformation wird dabei in dem Linearsensor hinterlegt.
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Bei der Positionserfassung innerhalb derartiger Aktuatoren werden häufig Wirbelstromsensoren eingesetzt, die auch als Eddy Current Sensoren bekannt sind. Diese Art von Sensoren haben den Vorteil vergleichsweise unempfindlich gegenüber rauen Betriebsumgebungen, wie man sie auch im Bereich der Hinterachslenkung findet, zu sein. Im Bereich der Hinterachslenkung reicht jedoch häufig die Genauigkeit eines Wirbelstromsensors nicht aus, um größere Hübe des Aktors auch noch genau genug zu erkennen. Daher ist es bislang üblich, noch einen weiteren Wirbelstromsensor einzusetzen, welcher erkennt, ob man sich links oder rechts der Mittellage des Aktors befindet. Auch muss für viele Anwendungen die Auflösung des Wirbelstromsensors um die Mittellage herum höher sein als in den von der Mittellage weiter entfernten Abschnitten des Sensors. Schließlich ist es auch für viele sicherheitsrelevante Anwendungen notwendig, redundante Systeme vorzusehen, beispielsweise wie im Bereich der elektrischen Fahrzeuglenkung, was derartige Lenkungskonzepte regelmäßig vergleichsweise kostspielig werden lässt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern und eine Wirbelstrom-Positionssensoranordnung bereitzustellen, die eine hohe Messgenauigkeit und einen einfachen, kostengünstigen Aufbau miteinander vereint.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen linearer Wirbelstrom-Positionssensor, mit einem ersten Sensorteil und einem relativ zum ersten Sensorteil beweglichen zweiten Sensorteil, wobei das erste Sensorteil eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, die sich jeweils in einer Längserstreckung zur Bewegungsrichtung der Sensorteile, erstrecken, wobei die erste Spule mit einer ersten Steuereinrichtung und die zweite Spule mit einer zweiten Steuereinrichtung zur Ermittlung der Impedanz der jeweiligen Spule, gekoppelt ist, und das zweite Sensorteil als ein elektrisch und/oder magnetisch leitfähiges Sensortarget ausgebildet ist, wobei die erste Spule und die zweite Spule entlang ihrer Längserstreckung einen gemeinsamen Überlappungsbereich aufweisen.
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Anstatt also eine Spule zu verwenden, die den gesamten Hub mit geringer Genauigkeit und niedrigem Integritätsniveau abdeckt, und eine andere, völlig andere Spule zu verwenden, die einen kleinen mittleren Hub mit hoher Genauigkeit und höherem Integritätsniveau abdeckt, wird erfindungsgemäß ein Sensorsystem mit zwei Spulenstrukturen vorgeschlagen, die sich überlappen, um ein höheres Integritätsniveau als bei einzelnen Spulenstrukturen zu gewährleisten.
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Hierdurch kann der Wirbelstrom-Positionssensor besonders kostengünstig hergestellt werden. Ferner wird es möglich, den Wirbelstrom-Positionssensor auf besonders einfache Weise redundant auszuführen.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen linearen Wirbelstrom-Positionssensors ist es, dass er verglichen mit konventionellen Wirbelstrom-Positionssensoren eine höhere Positionsmessgenauigkeit in seinem gesamten Messbereich bereitstellen kann. Auch sind Positionsinformationen durch den erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Positionssensor über den gesamten Messbereich verfügbar.
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Ferner kann im Überlappungsbereich ein höheres ASIL-Level erreicht werden, da in diesem zwei Spulen verfügbar sind und hierdurch eine entsprechende Redundanz der Spulen im Überlappungsbereich bereitgestellt werden kann.
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Eine Steuereinheit, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann bevorzugt insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme eines Kraftfahrzeugs dienen. Insbesondere kann eine Steuereinheit zur Steuerung und/oder Reglung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen oder und/oder einer Fahrzeuglenkung vorgesehen sein.
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Eine Steuereinheit weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinheit ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs.
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Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinheit eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinheit wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
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Die Steuereinheit kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinheit übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinheit einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.
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Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Spule und die zweite Spule im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet sind, was sowohl Vorteile bei der Herstellung als auch bei der Realisierung eines redundanten Sensorsystems bietet.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Spule jeweils einen sin-förmigen und cos-förmigen Verlauf und die zweite Spule jeweils einen sinusförmigen und cos-förmigen Verlauf aufweisen. Es kann hierdurch erreicht werden, dass eine besonders genaue Positionsmessung über den gesamten Messbereich realisiert werden kann.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Überlappungsbereich zwischen 0.01-0.4 mal, bevorzugt zwischen 0.05-0.2 mal der Längserstreckung der Spulen, beträgt. Innerhalb dieses Parameterbereichs der Überlappung der Spulen lässt sich ein guter Kompromiss zwischen der Redundanz, erzielbaren Mittengenauigkeit und angestrebter Größe des Mittenbereichs erreichen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die erste Steuereinrichtung und die zweite Steuereinrichtung mit einer übergeordneten dritten Steuereinrichtung verbunden sind. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass beispielsweise eine „Endkalibration“ des Wirbelstrom-Positionssensors durch die übergeordnete dritte Steuereinrichtung realisierbar wird, wodurch die Messgenauigkeit weiter gesteigert werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste Steuereinrichtung und die zweite Steuereinrichtung im Wesentlichen redundant zueinander ausgestaltet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass hieraus - in Verbindung mit den Spulen - ein redundantes Sensorsystem realisierbar ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die erste Spule und die zweite Spule auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind, wodurch eine hohe Systemintegration und ein kompakter Aufbau erreichbar ist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass innerhalb des Überlappungsbereichs die Mittenposition des linearen Wirbelstrom-Positionssensors angeordnet ist, so dass dieser im Bereich eines hohen ASIL Levels bzw. innerhalb eines redundanten Spulenbereichs angeordnet ist, was die entsprechende Sicherheit des Wirbelstrom-Positionssensors verbessert.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Mitte des Überlappungsbereichs mit der Mittenposition zusammenfällt, was ebenfalls zu einer beidseits exakt detektierbaren und redundanten Mittellage des Sensors beiträgt.
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Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst sein durch eine Fahrzeuglenkung, insbesondere Fahrzeughinterachslenkung, umfassend einen Lenkaktor mit einem linearen Wirbelstrom-Positionssensor nach einem der Ansprüche 1-9. Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise in diesem Zusammenhang dahingehend ausgeführt sein, dass der lineare Wirbelstrom-Positionssensor einen Hub einer Spindel des Lenkaktors bestimmt.
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Die Fahrzeuglenkung kann bevorzugt als ein Steer-by-wire-Lenksystem ausgebildet sein. Unter einem Steer-By-Wire-Lenksystem im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Lenkungssystem für eine Fahrzeugachse zu verstehen, welches im Wesentlichen aus einem sogenannten Hand Wheel Aktuator (HWA), beispielsweise der Aktuatorik um das befehlsgebende Fahrzeug-Lenkrad herum, und einem Road Wheel Aktuator (RWA), also der auf die mit den Fahrzeugrädern verbundene Lenkmechanik wirkenden Aktuatorik, besteht. Per Leitung („by wire“) wird dabei das Lenksignal vom HWA zum RWA übertragen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen
- 1 einen linearen Wirbelstrom-Positionssensor in einer schematischen Aufsicht, und
- 2 einen linearen Wirbelstrom-Positionssensor in einer schematischen Seitenansicht
- 3 eine mögliche Anwendung des aus den 1-2 bekannten Wirbelstrom-Positionssensors.
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Die 1 zeigt einen linearen Wirbelstrom-Positionssensor 1 mit einem ersten Sensorteil 2 und einem relativ zum ersten Sensorteil 2 linear beweglichen zweiten Sensorteil 3. Das erste Sensorteil 2 weist eine erste Spule 4 und eine zweite Spule 5 auf, die sich jeweils in einer Längserstreckung zur Bewegungsrichtung der Sensorteile 2,3 erstrecken. Die erste Spule 4 ist mit einer ersten Steuereinrichtung 6 und die zweite Spule 5 mit einer zweiten Steuereinrichtung 7 zur Ermittlung der Impedanz der jeweiligen Spule 4,5 gekoppelt. Die erste Steuereinrichtung 6 und die zweite Steuereinrichtung 7 sind mit einer übergeordneten dritten Steuereinrichtung 10 verbunden. Die erste Steuereinrichtung 6 und die zweite Steuereinrichtung 7 sind im Wesentlichen redundant zueinander ausgestaltet, so dass beispielsweise bei Ausfall einer Steuereinrichtung 6,7 die in Betrieb bleibende Steuereinrichtung 6,7 die Funktion der ausgefallenen Steuereinrichtung 6,7 übernehmen kann.
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Das zweite Sensorteil 3 ist als ein elektrisch und/oder magnetisch leitfähiges Sensortarget 8 ausgebildet.
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Die erste Spule 4 und die zweite Spule 5 weisen entlang ihrer Längserstreckung einen gemeinsamen Überlappungsbereich 9 auf. Wie sich gut erkennen lässt, sind die erste Spule 4 und die zweite Spule 5 im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet, wobei die erste Spule 4 jeweils einen sin-förmigen und einen cos-förmigen Verlauf und die zweite Spule 5 ebenfalls jeweils einen sin-förmigen sowie cos-förmigen Verlauf besitzt. Die erste Spule 4 und die zweite Spule 5 sind auf einer gemeinsamen Platine angeordnet.
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Innerhalb des Überlappungsbereichs 9 ist die Mittenposition 11 des linearen Wirbelstrom-Positionssensors 1 angeordnet, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Mitte des Überlappungsbereichs 9 mit der Mittenposition 11 zusammenfällt.
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Hierdurch liegen dann im Überlappungsbereich 9 zwei identische, verfügbare Spulenpaare 4,5 vor, so dass dieser Bereich hinsichtlich der Spulen 4,5 redundant ausgeführt ist und folglich zu einer höheren Verfügbarkeit des Wirbelstrom-Positionssensors 4,5 beiträgt.
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Die 3 zeigt eine mögliche Anwendung des aus den 1-2 bekannten Wirbelstrom-Positionssensors 1 in einer Fahrzeuglenkung 20, insbesondere Fahrzeughinterachslenkung, umfassend einen Lenkaktor 21 mit einem linearen Wirbelstrom-Positionssensor 1. Der lineare Wirbelstrom-Positionssensor 1 bestimmt dabei den Hub der Spindel 22 des Lenkaktors 21.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wirbelstrom-Positionssensor
- 2
- Sensorteil
- 3
- Sensorteil
- 4
- Spule
- 5
- Spule
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Sensortarget
- 9
- Überlappungsbereich
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Mittenposition
- 20
- Fahrzeuglenkung
- 21
- Lenkaktor
- 22
- Spindel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018130228 A1 [0004]
- DE 102008032046 A1 [0005]
