DE102022106501A1

DE102022106501A1 - Induktiver Positionssensor und X-by-wire System

Info

Publication number: DE102022106501A1
Application number: DE102022106501.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lindner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor (1), umfassend eine von einer Steuereinheit (3) bestrombare Senderspule (6) und ein relativ zum Sensorträger (2) versetzbares Sensortarget (7), eine auf und/oder in dem Sensorträger (2) angeordnete erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule (4), an der eine erste Spannung Ucandyabgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger (2) angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule (5), an der eine zweite Spannung Ueyeabgreifbar ist, wobei die erste Empfängerspule (4) und die zweite Empfängerspule (5) derart konfiguriert sind, dass aus den empfangenen Spannungssignalen der Empfängerspulen (4, 5) mittels eines mathematischen Zusammenhangs die Position des in Längserstreckung zu den Empfangsspulen (4,5) bewegten Sensortargets (7) in der Steuereinheit (3) bestimmbar ist, wobei das Sensortarget (7) den Sensorträger (2) orthogonal zur Längserstreckung der Empfangsspulen (4,5) zumindest abschnittsweise umgreift.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor, umfassend eine von einer Steuereinheit bestrombare Senderspule und ein relativ zum Sensorträger versetzbares Sensortarget, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine erste Spannung U_candy abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine zweite Spannung U_eye abgreifbar ist, wobei die erste Empfängerspule und die zweite Empfängerspule derart konfiguriert sind, dass aus den empfangenen Spannungssignalen der Empfängerspulen, mittels eines mathematischen Zusammenhangs die Position des in Längserstreckung zu den Empfangsspulen, bewegten Sensortargets in der Steuereinheit bestimmbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein X-by-wire System.
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.
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.
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.
Zur Messung des Lenkeinschlags in derartigen Hinterachslenkungen werden u.a. induktive Linearwegsensoren (LPS - linear positioning sensor) eingesetzt. Diese basieren auf dem induktiven Prinzip, d.h. außenliegende Senderspulen induzieren ein Messsignal in innenliegende Empfangsspulen, wobei ein Teil des ausgesendeten Feldes durch die Wirbelströme in einem beweglichen, elektrisch leitfähigen Target, beispielsweise einer Aluminiumplatte, abgeschirmt wird, sodass die resultierende induzierte Spannung eine Information über die Position des Targets gibt. Üblicherweise besteht ein derartiger induktiver Linearwegsensor aus einer Senderspule und zwei Empfangsspulen, wobei die Empfangsspulen jeweils eine Sinusform bzw. Cosinusform haben. Die Messignale sind dabei sinus- bzw. cosinusförmig. Der Zusammenhang zwischen der Targetposition und dem Messsignal ist dabei entsprechend einer Arcustangensfunktion linear.
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen induktiven Positionssensor bereitzustellen, der über eine verbesserte Messgenauigkeit verfügt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechend optimiertes x-by-wire System zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Positionssensor, umfassend eine von einer Steuereinheit bestrombare Senderspule und ein relativ zum Sensorträger versetzbares Sensortarget, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine erste Spannung U_candy abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine zweite Spannung U_eye abgreifbar ist, wobei die erste Empfängerspule und die zweite Empfängerspule derart konfiguriert sind, dass aus den empfangenen Spannungssignalen der Empfängerspulen, mittels eines mathematischen Zusammenhangs die Position des in Längserstreckung zu den Empfangsspulen, bewegten Sensortargets in der Steuereinheit bestimmbar ist, wobei das Sensortarget den Sensorträger orthogonal zur Längserstreckung der Empfangsspulen, zumindest abschnittsweise umgreift.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine erhöhte Empfangsamplitude und damit eine verbesserte Genauigkeit des Positionssensors erreichbar ist. Ferner ist es durch das zumindest abschnittsweise Umschließen der Empfangsspulen durch das Sensortarget möglich, den Positionssensor kompakter auszubilden. Dies wird nachstehend noch näher erläutert.
Wenn die Empfangsamplitude eines gattungsbildenden induktiven Positionssensors nicht ausreichend ist, kann entweder das Sensortarget, sprich die überdeckte Fläche, in Verfahrrichtung verlängert werden, was jedoch die Längserstreckung des Positionssensors erhöht. Ferner ist es auch denkbar, die Breite quer zur Verfahrrichtung zu erhöhen. Die eine Maßnahme erhöht die überdeckte Fläche, die anderes die Spulenfläche der Empfangsspulen. Dadurch erhöht sich der mit den Senderspulen verketteten magnetischen Fluss und damit auch dessen zeitliche Ableitung, die induzierte Spannung. In den meisten Anwendungen ist jedoch zumeist der verfügbare Bauraum sehr stark beschränkt d.h. eine Erhöhung der Empfangsamplitude durch eine bauliche Vergrößerung des Sensors in Längserstreckung (Targetvergrößerung) und/oder Quererstreckung (Spulenflächenvergrößerung) ist nicht in jedem Fall möglich.
Erfindungsgemäß wird bei dem hier vorgeschlagenen Positionssensor die Empfangsamplitude dadurch erhöht, indem man den Positionssensor mit einem beweglichen Sensortarget im Wesentlichen in alle Raumrichtungen umhaust. Hierdurch kann die Empfangsamplitude signifikant erhöht werden, ohne die Winkelausgabe des Sensors zu beeinflussen.
Es versteht sich, dass es konstruktiv ermöglicht werden muss, das Sensortarget sowohl ober- als auch unterhalb des Sensorträgers verfahrbar auszugestalten. Es ist ferner möglich, dass Sensorfehler durch ein Verkippen des Sensortargets z.B. in Verfahrrichtung teilweise kompensiert werden könnten.
Bevorzugt ist der Sensorträger als eine auf einem Substrat gedruckte Schaltung ausgebildet. Diese werden auch als PCBs - printed circuit boards - bezeichnet.
Besonders bevorzugt ist der Positionssensor als Linearwegsensor ausgebildet - insbesondere als Linearwegsensor für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs, für eine steer-by-wire Vorderradlenkung eines Kraftfahrzeugs, für einen Kupplungsaktuator eines Kraftfahrzeugs oder für ein elektronisches Kupplungspedal eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Alternativ kann der Positionssensor als Rotationssensor oder Winkelsegmentsensor ausgebildet sein und eine Winkelposition erfassen.
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.
Innerhalb der Steuereinheit können Steuerungsoperationen und/oder Regelungsoperationen 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.
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.
Eine Steuereinheit kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander 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 Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Sensortarget eine umfänglich geschlossene ringartige Kontur aufweist, wodurch die Sensorgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Sensortarget eine im Wesentlichen rechteckige Kontur besitzt, was ebenfalls zu einer optimierten Sensorgenauigkeit beiträgt. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass der Sensorträger im Wesentlichen als eine rechteckige Platte ausgebildet ist.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Sensortarget quaderförmig ausgebildet ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass ein derartiges Sensortarget eine hohe Sicherheit gegen Sensorfehler aufweist, insbesondere bei einem möglichen Verkippen des Sensortargets in Verfahrrichtung.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Sensortarget aus Aluminium oder Kupfer geformt ist, was zu guten Messergebnissen bei gleichzeitig guter fertigungstechnischer Formbarkeit beiträgt.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Sensortarget eine Längserstreckung aufweist, welche 0,1-0,5 mal der Längserstreckung des Sensorträgers entlang der Empfängerspulen, entspricht, was sich ebenfalls hinsichtlich der Messgenauigkeiten des Positionssensors als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Sensortarget zwei parallel zu einer Ebene des Sensorträgers verlaufende Sensortarget-Abschnitte, aufweist, wodurch sich ebenfalls eine Verbesserung hinsichtlich möglicher Messfehler beim Verkippen des Sensortargets erzielen lässt.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Positionssensor als Linearwegsensor ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Positionssensor als Rotationssensor oder Winkelsegmentsensor ausgebildet ist und eine Winkelposition erfasst.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch ein X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen induktiven Positionssensor gemäß einem der Ansprüche 1-9.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionssensors in einer schematischen, teilperspektivischen Darstellung.

Die Figur zeigt einen als Linearwegsensor konfigurierten induktiven Positionssensor 1, umfassend eine von einer Steuereinheit 3 bestrombare Senderspule 6 und ein relativ zum Sensorträger 2 versetzbares Sensortarget 7. Ferner verfügt der Positionssensor 1 über eine auf und/oder in dem Sensorträger 2 angeordnete erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule 4, an der eine erste Spannung U_candy abgreifbar ist, sowie über eine auf und/oder in dem Sensorträger 2 angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule 5, an der eine zweite Spannung U_eye abgreifbar ist.
Die erste Empfängerspule 4 und die zweite Empfängerspule 5 sind derart konfiguriert, dass aus den empfangenen Spannungssignalen der Empfängerspulen 4, 5 mittels eines mathematischen Zusammenhangs die Position des in Längserstreckung zu den Empfangsspulen 4,5 bewegten Sensortargets 7 in der Steuereinheit 3 bestimmbar ist.
Das Sensortarget 7 umgreift den Sensorträger 2 orthogonal zur Längserstreckung der Empfangsspulen 4,5. Dabei weist das Sensortarget 7 eine umfänglich geschlossene ringartige Kontur auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen rechteckig ausgeformt ist. Das aus Aluminium oder Kupfer geformte Sensortarget 7 besitzt eine entsprechend quaderförmige Raumform. Dabei besitzt dann das Sensortarget 7 zwei parallel zu einer Ebene 10 des Sensorträgers 2 verlaufende Sensortarget-Abschnitte 8,9.
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.
Bezugszeichenliste

1: Positionssensor
2: Sensorträger
3: Steuereinheit
4: Empfängerspule
5: Empfängerspule
6: Senderspule
7: Sensortarget
8: Sensortarget-Abschnitte
9: Sensortarget-Abschnitte
10: Ebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018130228 A1 [0004]

Claims

Induktiver Positionssensor (1), umfassend eine von einer Steuereinheit (3) bestrombare Senderspule (6) und ein relativ zum Sensorträger (2) versetzbares Sensortarget (7), eine auf und/oder in dem Sensorträger (2) angeordnete erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule (4), an der eine erste Spannung U_candy abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger (2) angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule (5), an der eine zweite Spannung U_eye abgreifbar ist, wobei die erste Empfängerspule (4) und die zweite Empfängerspule (5) derart konfiguriert sind, dass aus den empfangenen Spannungssignalen der Empfängerspulen (4, 5) mittels eines mathematischen Zusammenhangs die Position des in Längserstreckung zu den Empfangsspulen (4,5) bewegten Sensortargets (7) in der Steuereinheit (3) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) den Sensorträger (2) orthogonal zur Längserstreckung der Empfangsspulen (4,5) zumindest abschnittsweise umgreift.
Induktiver Positionssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) eine umfänglich geschlossene ringartige Kontur aufweist.
Induktiver Positionssensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) eine im Wesentlichen rechteckige Kontur besitzt.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) quaderförmig ausgebildet ist.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) aus Aluminium oder Kupfer geformt ist.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) eine Längserstreckung aufweist, welche 0,1-0,5 mal der Längserstreckung des Sensorträgers (2) entlang der Empfängerspulen (4,5) entspricht.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensortarget (7) zwei parallel zu einer Ebene (10) des Sensorträgers (2) verlaufende Sensortarget-Abschnitte (8,9) aufweist.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (1) als Linearwegsensor ausgebildet ist.
Induktiver Positionssensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (1) als Rotationssensor oder Winkelsegmentsensor ausgebildet ist und eine Winkelposition erfasst.
X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen induktiven Positionssensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.