DE102022116956A1 - Inductive position sensor, method for compensating measurement errors in an inductive position sensor, computer program product, electrical machine and X-by-wire system for a motor vehicle - Google Patents
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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 URX1abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger (2) angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule (5), an der eine zweite Spannung URX2abgreifbar ist, wobei die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule (4) einen Verlauf aufweist, der einer cosinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung und/oder die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule (5) einen Verlauf aufweist, der einer sinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht.The invention relates to an inductive position sensor (1), comprising a transmitter coil (6) which can be energized by a control unit (3) and a sensor target (7) which can be moved relative to the sensor carrier (2), a first arranged on and/or in the sensor carrier (2). , a substantially cosine-shaped receiver coil (4) from which a first voltage URX1 can be tapped, a second, substantially sinusoidal receiver coil (5) arranged on and/or in the sensor carrier (2) from which a second voltage URX2 can be tapped, wherein the first, essentially cosinusoidal receiving coil (4) has a curve that corresponds to a cosinusoidal fundamental wave with at least one harmonic and/or the second, essentially sinusoidal receiving coil (5) has a curve that corresponds to a sinusoidal fundamental wave with at least one harmonic .
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine/ein Induktiver 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 URX1 abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine zweite Spannung URX2 abgreifbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kompensation von Messfehlern bei einem induktiven Positionssensor, ein Computerprogrammprodukt, eine elektrische Maschine und ein X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to an inductive position sensor, comprising a transmitter coil that can be energized by a control unit and a sensor target that can be displaced relative to the sensor carrier, a first, essentially cosine-shaped receiver coil arranged on and/or in the sensor carrier, on which a first voltage U RX1 can be tapped is, a second, essentially sinusoidal receiver coil arranged on and/or in the sensor carrier, on which a second voltage U RX2 can be tapped. The invention further relates to a method for compensating for measurement errors in an inductive position sensor, a computer program product, an electrical machine and an X-by-wire system for a motor vehicle.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.Electric motors are increasingly being used to drive motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels. Significant efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the usual driving comfort.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.In addition to purely electrically operated drive trains, hybrid drive trains are also known. Such drive trains of a hybrid vehicle usually include a combination of an internal combustion engine and an electric motor, and - for example in metropolitan areas - enable purely electric operation with sufficient range and availability, especially for cross-country journeys. There is also the possibility of being driven simultaneously by the internal combustion engine and the electric motor in certain operating situations.
In vielzähligen dieser Antriebsstränge kommen Sensoren zum Einsatz, welche die Winkel- und Rotationsinformationen, beispielsweise einer elektrischen Maschine erfassen. Diese Sensoren bestehen im vereinfachten Prinzip aus einem Sensorrotor und einem Sensorstator. Der Sensor selbst ist in der Regel fest mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden. Der Sensorrotor ist meist ein rotationssymmetrisches Bauteil, welches mit dem Rotor der elektrischen Maschine dreht.Many of these drive trains use sensors that record the angle and rotation information, for example of an electric machine. In a simplified principle, these sensors consist of a sensor rotor and a sensor stator. The sensor itself is usually firmly connected to the housing of the electrical machine. The sensor rotor is usually a rotationally symmetrical component that rotates with the rotor of the electrical machine.
In vielen der eingangs genannten Elektromobilitätsanwendungen werden permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine umfasst einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor. Der Rotor umfasst zumeist eine Welle, Wuchtbleche, Rotorblechpakete und Magnete. Die Magnete sind im Allgemeinen in den Rotorblechpaketen fixiert.Permanent magnet synchronous machines are used in many of the electromobility applications mentioned above. Such a permanently excited synchronous machine includes a stator to be energized and a permanently excited rotor. The rotor usually includes a shaft, balancing plates, rotor laminated cores and magnets. The magnets are generally fixed in the rotor laminated cores.
Für die Regelung derartiger elektronisch kommutierter elektrischer Maschinen werden abhängig von der Winkelposition des Rotors elektrische Ansteuergrößen an Statorwicklungen der Maschine angelegt, um diese anzutreiben. Die Rotorlage wird in der Regel mit Hilfe eines Rotorlagesensors erfasst und einem Steuergerät zur Generierung der für die Kommutierung der elektrischen Maschine benötigten Ansteuersignale zugeführt. Rotorlagesensoren liefern entweder eine von der Lage des Rotors abhängige analoge elektrische Größe, z. B. eine Spannung, Signalpulse oder eine digitalisierte Angabe über die absolute Rotorlage. Aus dem Stand der Technik sind derartige Rotorlagesensoren grundsätzlich bekannt, bei denen ein am Rotor drehfest gelagerter Signalgeber (magnetisches Target) mittels eines am Stator drehfest gelagerten Magnetfeldsensors ausgelesen wird.To control such electronically commutated electrical machines, electrical control variables are applied to the stator windings of the machine in order to drive them, depending on the angular position of the rotor. The rotor position is usually detected using a rotor position sensor and fed to a control unit to generate the control signals required for commutation of the electrical machine. Rotor position sensors either provide an analog electrical quantity that depends on the position of the rotor, e.g. B. a voltage, signal pulses or a digitized information about the absolute rotor position. Such rotor position sensors are basically known from the prior art, in which a signal transmitter (magnetic target) mounted in a rotationally fixed manner on the rotor is read out by means of a magnetic field sensor mounted in a rotationally fixed manner on the stator.
So zeigt beispielsweise die
Neben den Rotorlagesensoren, die mit einem magnetischen Target funktionieren, sind auch induktive Rotorlagesensoren bekannt, welche den Vorteil besitzen, auf einen Permanentmagneten verzichten zu können. Dieser Vorteil steht der Herausforderung entgegen, hinreichend genaue Sensorsignale mit Hilfe einer induktiven Sensoranordnung generieren zu können.In addition to the rotor position sensors that work with a magnetic target, inductive rotor position sensors are also known, which have the advantage of being able to do without a permanent magnet. This advantage counteracts the challenge of being able to generate sufficiently accurate sensor signals using an inductive sensor arrangement.
Die Sensoren besitzen in der Regel eine Oszillatorschaltung, welche durch eine Senderspule eine Wechselspannung in mindestens zwei Empfängerspulen induziert.The sensors usually have an oscillator circuit, which induces an alternating voltage in at least two receiver coils through a transmitter coil.
Neben der Anwendung derartiger induktiver Sensoren in elektrischen Antriebsmaschinen, sind diese auch häufig in mechatronischen, lenkbaren Achsen zur Feststellung der Lenkposition, des Lenkwinkels, des Einschlagwinkels bekannt, was nachstehend näher erläutert wird.In addition to the use of such inductive sensors in electric drive machines, they are also often used in mechatronic, steerable axles for determining the steering position, the steering angle, and the steering angle, which is explained in more detail below.
Insbesondere 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.In particular, a growing need for individual mobility, an increasing number of cars and increasing car dimensions require measures to improve the parking situation in urban areas. In addition to aspects such as urban densification and increasing vehicle numbers, constantly increasing vehicle dimensions lead to a shortage of parking spaces and complicated parking procedures. One way to overcome this challenge is to implement new vehicle and transport concepts that aim to replace conventional cars. Alternative vehicle structures and new steering technologies are able to meet specific parking and important customer requirements simultaneously.
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.For this reason, such cars are increasingly being equipped with rear-axle steering, which significantly improves the maneuverability of these vehicles and, in particular, also supports automatic parking of the car. Electrically and/or hydraulically actuated actuators are usually used to actuate the rear axle steering. For obvious safety-relevant reasons, it is important to detect the exact position of the actuator or the rear axle steering safely and as accurately as possible.
Aus der
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.To measure the steering angle in such rear axle steering systems, inductive linear positioning sensors (LPS) are used, among other things. These are based on the inductive principle, i.e. external transmitter coils induce a measurement signal into internal receiving coils, with part of the emitted field being shielded by the eddy currents in a movable, electrically conductive target, for example an aluminum plate, so that the resulting induced voltage provides information about the position of the target. Such an inductive linear displacement sensor usually consists of a transmitter coil and two reception coils, with the reception coils each having a sine shape or cosine shape. The measurement signals are sine or cosine shaped. The relationship between the target position and the measurement signal is linear according to an arc tangent function.
Aus der
Die
Derartige lineare sowie rotative induktive Positionssensoren weisen grundsätzlich verschiedene Fehlerverläufe auf. Typisch sind Fehler vierter Ordnung, das heißt mit vierfacher Frequenz der Messperiode. Dieser Vierfachfehler resultiert aus einer unregelmäßigen Durchflutung der Sensorspulen.Such linear and rotary inductive position sensors fundamentally have different error curves. Fourth-order errors are typical, i.e. with four times the frequency of the measurement period. This quadruple error results from irregular flow through the sensor coils.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Induktiven Positionssensor bereitzustellen, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert und insbesondere eine hohe Messgenauigkeit realisiert. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Verfahren zur Kompensation von Messfehlern bei einem induktiven Positionssensor bereitzustellen. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Computerprogrammprodukt zur Kompensation von Messfehlern bei einem induktiven Positionssensor zu realisieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen. Schließlich ist es auch eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes X-by-wire System für ein Kraftfahrzeug zu realisieren.It is therefore the object of the invention to provide an inductive position sensor that avoids or at least reduces the disadvantages known from the prior art and in particular achieves high measurement accuracy. It is also the object of the invention to provide an optimized method for compensating for measurement errors in an inductive position sensor. It is also the object of the invention to realize an improved computer program product for compensating for measurement errors in an inductive position sensor. Another object of the invention is to provide an improved electrical machine. Finally, it is also an object of the invention to realize an improved X-by-wire system for a motor vehicle.
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 URX1 abgreifbar ist, eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine zweite Spannung URX2 abgreifbar ist, wobei die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule einen Verlauf aufweist, der einer cosinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht und/oder
die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule einen Verlauf aufweist, der einer sinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht.This object is achieved by an inductive position sensor, comprising a transmitter coil that can be energized by a control unit and a sensor target that can be moved relative to the sensor carrier, a first, essentially cosine-shaped receiver coil arranged on and/or in the sensor carrier, on which a first voltage U RX1 can be tapped , a second, essentially sinusoidal receiver coil arranged on and/or in the sensor carrier, on which a second voltage U RX2 can be tapped, the first, essentially cosinusoidal receiver coil having a profile which corresponds to a cosinusoidal fundamental wave with at least one harmonic and or
the second, essentially sinusoidal receiving coil has a course that corresponds to a sinusoidal fundamental oscillation with at least one harmonic.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass typische „Mehrfachfehler“, also beispielsweise ein Winkelfehler vierter Ordnung, schon im Spulendesign weitgehend eliminiert werden können. Ein derartiger Fehler kann so bereits im Spulendesign kompensiert werden, und zwar insbesondere durch geometrisches Modulieren der sonst reinen Sinusform der Empfangsspulen mit höheren Harmonischen. Die Empfangsspulen weichen so von ihrer reinen sinus- bzw. cosinus-Form ab. Diese Abweichung ist in der Regel vergleichsweise gering und mit dem bloßen Auge an den Spulen kaum oder nur sehr schwer zu erkennen.This has the advantage that typical “multiple errors”, for example a fourth-order angular error, can be largely eliminated in the coil design. Such an error can be compensated for in the coil design, in particular by geometrically modulating the otherwise pure sinusoidal shape of the receiving coils with higher harmonics. The receiving coils deviate from their pure sine or cosine shape. This deviation is usually comparatively small and can hardly or only very difficultly be seen on the coils with the naked eye.
In der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren ist speziell ein vollrotativer, induktiver Positionssensor mit einer dreifach-Modulation beschrieben. Für nicht-symmetrische Sensoren wie Segment- oder Linearwegsensoren kann auch mithilfe anderer Harmonischer der Fehler beeinflusst und die Messgenauigkeit des induktiven Positionssensors verbessert werden. Es ist dabei grundsätzlich möglich, jede beliebige Harmonische für jede Empfängerspule separat zu variieren, was aufgrund der zwangsläufigen Nicht-Symmetrie bei Segment- und analog Linearwegsensoren sehr sinnvoll ist.In the following description of an exemplary embodiment based on the figures, a fully rotary, inductive position sensor with triple modulation is specifically described. For non-symmetrical sensors such as segment or linear position sensors, the error can also be influenced and the measurement accuracy of the inductive position sensor can be improved using other harmonics. In principle, it is possible to vary any harmonic separately for each receiver coil, which is very useful due to the inevitable non-symmetry in segment and analog linear position sensors.
Bevorzugt sind die Empfangsspulen als eine auf einem Substrat gedruckte Schaltung ausgebildet. Höchst bevorzugt ist auch die Sendespule als eine auf einem Substrat gedruckte Schaltung ausgebildet. Diese werden auch als PCBs - printed circuit boards - bezeichnet.The receiving coils are preferably designed as a circuit printed on a substrate. Most preferably, the transmitter coil is also designed as a circuit printed on a substrate. These are also known as PCBs - printed circuit boards.
Bevorzugt kann der Positionssensor als Linearwegsensor ausgebildet sein - 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.The position sensor can preferably be designed as a linear path sensor - in particular as a linear path sensor for a rear axle steering of a motor vehicle, for a steer-by-wire front wheel steering of a motor vehicle, for a clutch actuator of a motor vehicle or for an electronic clutch pedal of a motor vehicle.
Alternativ kann der Positionssensor auch als Rotationssensor oder Winkelsegmentsensor ausgebildet sein und eine Winkelposition erfassen. Alternatively, the position sensor can also be designed as a rotation sensor or angular segment sensor and detect an angular position.
Ebenfalls ist es bevorzugt, dass die im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete erste Empfängerspule und die im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete zweite Empfängerspule eine im Wesentlichen identische Amplitude aufweisen.It is also preferred that the essentially cosine-shaped first receiver coil and the essentially sinusoidal second receiver coil have a substantially identical amplitude.
Die Sendespule als auch die Empfängerspulen können an eine Steuereinheit angeschlossen sein. 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.The transmitter coil as well as the receiver coils can be connected to a control unit. A control unit in particular has a wired or wireless signal input for receiving electrical signals, in particular, such as sensor signals. Furthermore, a control unit also preferably has a wired or wireless signal output for transmitting, in particular, electrical signals, for example to electrical actuators or electrical consumers of the motor vehicle.
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.Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control unit. It is particularly preferred that the control unit comprises hardware that is designed to execute software. The control unit preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
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.The control unit can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control unit can be stored and read out again. Furthermore, the control unit can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
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.A control unit can comprise a plurality of control devices, which are in particular arranged spatially separated from one another. Control units are also called Electronic Control Unit (ECU) or Electronic control modules (ECM) refer to and preferably have electronic microcontrollers for carrying out arithmetic operations for processing data, particularly preferably using software. The control devices can preferably be networked with one another, so that wired and/or wireless data exchange between control devices is possible. In particular, it is also possible to network the control devices with one another via bus systems, such as CAN bus or LIN bus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der induktive Positionssensor als Rotationssensor ausgebildet ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule und die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule einen kreisringartigen Verlauf um eine gemeinsame Kreisbahn mit einem Radius rm aufweisen, wobei der Verlauf der ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule einer Funktion definiert als
- mit φ = [0;2π] für in einem Vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, dass die verwendete Oberschwingung der Empfangsspulen einer ungeraden Harmonischen größer als eins entspricht. Höchst bevorzugt wird eine ungerade Harmonische mit einer Ordnungszahl aus der Menge: 3,5,7 ausgewählt.It has also proven to be advantageous that the harmonic used in the receiving coils corresponds to an odd harmonic greater than one. An odd harmonic with an atomic number from the set: 3,5,7 is most preferably selected.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule und die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule einen kreisringartigen Verlauf um eine gemeinsame Kreisbahn mit einem Radius rm aufweisen, wobei der Verlauf der ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule einer Funktion definiert als
- mit φ = [0;2π] für in einem Vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass hierbei die höchsten Anteile am Fehler des Signals kompensiert werden und hierdurch bereits eine größtmögliche Fehlerkompensation ermöglicht wird. Auch kann hierdurch insbesondere eine Reduktion des Simulationsaufwandes bei der Auslegung der Empfängerspulen realisiert werden.The advantageous effect of this configuration is that the highest proportions of the error in the signal are compensated for, thereby enabling the greatest possible error compensation. In this way, in particular, a reduction in the simulation effort when designing the receiver coils can be achieved.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation von Messfehlern bei einem induktiven Positionssensor, wobei eine auf und/oder in dem Sensorträger ausgeformte, erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine erste Spannung URX1 abgreifbar ist, sowie eine auf und/oder in dem Sensorträger angeordnete zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfängerspule, an der eine zweite Spannung URX2 abgreifbar ist, angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- • Bereitstellung eines Models eines Sensortargets;
- • Bereitstellen eines Models wenigstens einer Sendespule;
- • Bereitstellung eines Models einer ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule, die einen Verlauf aufweist, der einer cosinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht und/oder einer zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule, die einen Verlauf aufweist, der einer sinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht.
- • Manipulation der ersten im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule, die einen Verlauf aufweist, der einer cosinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule, die einen Verlauf aufweist, der einer sinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht, in der Art, dass eine Kompensation von Messfehlern bei dem induktiven Positionssensor bewirkt ist.
- • Providing a model of a sensor target;
- • Providing a model of at least one transmission coil;
- • Providing a model of a first, essentially cosine-shaped receiving coil, which has a curve that corresponds to a cosine-shaped fundamental oscillation with at least one harmonic and/or a second, essentially sinusoidal-shaped receiving coil, which has a curve that corresponds to a sinusoidal fundamental oscillation with at least corresponds to a harmonic.
- • Manipulation of the first essentially cosinusoidal receiving coil, which has a curve that corresponds to a cosinusoidal fundamental oscillation with at least one harmonic and/or the second, essentially sinusoidal receiving coil, which has a curve that corresponds to a sinusoidal fundamental oscillation with at least one harmonic , in such a way that measurement errors are compensated for in the inductive position sensor.
Hierdurch lässt sich insbesondere die Wirkung erzielen, dass eine deutlich verbesserte Messgenauigkeit realisiert werden kann.In this way, the effect can be achieved in particular that significantly improved measurement accuracy can be achieved.
Des Weiteren kann die Erfindung in diesem Zusammenhang auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule und die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule einen kreisringartigen Verlauf um eine gemeinsame Kreisbahn mit einem Radius rm aufweisen, wobei der Verlauf der ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule einer Funktion definiert als
- mit φ = [0;2π] für in einem vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass zur Kompensation von Messfehlern bei dem induktiven Positionssensor der Parameter a3 manipuliert wird, was zu einer besonders großen und somit effektiven Fehlerreduktion führt.In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that the parameter a 3 is manipulated to compensate for measurement errors in the inductive position sensor, which leads to a particularly large and therefore effective error reduction.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5-7.The object of the invention is further achieved by a computer program product which is stored on a machine-readable carrier, or computer data signal, embodied by an electromagnetic wave, with program code which is suitable for carrying out the method according to claims 5-7.
Auch wird die Aufgabe der Erfindung gelöst mittels einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen induktiven Positionssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-4.The object of the invention is also achieved by means of an electric machine, in particular for a drive train of a motor vehicle, comprising an inductive position sensor according to one of the preceding claims 1-4.
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 vorstehenden Ansprüche 1-4.Finally, the object of the invention can also be achieved by an X-by-wire system for a motor vehicle, comprising an inductive position sensor according to one of the preceding claims 1-4.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using figures without restricting the general idea of the invention.
Es zeigt:
-
1 einen induktiven Positionssensor als Linearsensor in einer schematischen perspektivischen Darstellung, -
2 einen induktiven Positionssensor als Rotationssensor in einer schematischen Darstellung, -
3 Verlauf von sinus- und cosinus-förmigen Empfangsspulen eines induktiven Rotationssensors in einer Koordinatensystemdarstellung.
-
1 an inductive position sensor as a linear sensor in a schematic perspective representation, -
2 an inductive position sensor as a rotation sensor in a schematic representation, -
3 Course of sine- and cosine-shaped receiving coils of an inductive rotation sensor in a coordinate system representation.
Die
Hierbei weist die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule 4 einen Verlauf auf, der einer cosinusförmigen Schwingung höherer Ordnung größer als Eins oder anders ausgedrückt, der einer cosinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht. Auch die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule 5 besitzt einen Verlauf, der einer sinusförmigen Schwingung höherer Ordnung größer als Eins bzw. einer sinusförmigen Grundschwingung mit wenigstens einer Oberschwingung entspricht.Here, the first, essentially cosine-shaped
Die Kompensation von Messfehlern bei einem derartigen induktiven Positionssensor 1, wird anhand des in
Bei der mathematischen Beschreibung von sinus- bzw. cosinusförmigen Empfangsspulen 4,5 bei rotativen Positionssensoren 1, wie sie aus der
- mit φ = [0;2π] für in einem vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
Hierbei wird im Prinzip ein p-periodischer Sinus um eine Kreisbahn des Radius rm gekrümmt. Dies ist in der
Die Sendespule 6 ist im Beispiel des in der
Um diesen Fehler zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden, wird die oben genannte mathematische Beschreibung der sinus- bzw. cosinus-förmigen Laufbahn der Empfangsspulen 4,5 modifiziert, so dass durch eine angepasste Laufbahn der Empfangsspulen 4,5 eine Kompensation der genannten Fehler bewirkt werden kann.In order to reduce or completely avoid this error, the above-mentioned mathematical description of the sine or cosine-shaped path of the receiving coils 4.5 is modified, so that the above-mentioned errors can be compensated for by an adapted path of the receiving coils 4.5 can.
Dies geschieht im Wesentlichen dadurch, dass die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule 4 und die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule 5 einen kreisringartigen Verlauf um eine gemeinsame Kreisbahn mit einem Radius rm aufweisen, wobei der Verlauf der ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule 4 und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule 5 einer Funktion folgt, die definiert ist als
- mit φ = [0;2π] für in einem vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
Es werden also Harmonische bereits in die Geometrie bzw. den Verlauf der Empfangsspulen 4,5 eingebracht. Das Ziel ist nun, mithilfe einer, insbesondere computergestützten Optimierung die Parameter a1 ... an zu bestimmen, bei denen der erwartete Messfehler ein Minimum erreicht.Harmonics are therefore already introduced into the geometry or the course of the receiving coils 4.5. The goal is now to use optimization, particularly computer-aided, to determine the parameters a 1 ... a n for which the expected measurement error reaches a minimum.
Bisherige Studien haben gezeigt, dass für induktive Rotationssensoren, wie sie in der
Daher kann der Verlauf der Empfangsspulen 4,5 auch einer vereinfachten mathematischen Beschreibung folgen, bei der die die erste, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildete Empfangsspule 4 und die zweite, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildete Empfangsspule 5 einen kreisringartigen Verlauf um eine gemeinsame Kreisbahn mit einem Radius rm aufweisen, wobei der Verlauf der ersten, im Wesentlichen cosinusförmig ausgebildeten Empfangsspule 4 und/oder der zweiten, im Wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Empfangsspule 5 einer Funktion definiert als
- mit φ = [0;2π] für in einem vollkreis ausgebildete Empfangsspulen
- mit φ = [0;2π q/p] für bogenförmig ausgebildete Empfangsspulen mit q= Anzahl der tatsächlich ausgebildeten elektrischen Perioden und p = Anzahl der Polpaare
- mit a1 = Grundschwingung der sinusförmigen Empfangsspule
- mit b1 = Grundschwingung der cosinusförmigen Empfangsspule
- mit an = Sinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- mit bn = Cosinusförmige Harmonische n-ter Ordnung der Empfangsspule
- with φ = [0;2π] for receiving coils designed in a full circle
- with φ = [0;2π q/p] for arcuate receiving coils with q = number of actually formed electrical periods and p = number of pole pairs
- with a 1 = fundamental oscillation of the sinusoidal receiving coil
- with b 1 = fundamental oscillation of the cosine-shaped receiving coil
- with a n = nth order sinusoidal harmonic of the receiving coil
- with b n = cosine-shaped harmonic of the nth order of the receiving coil
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.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be viewed as limiting but rather as illustrative. The following patent claims are to be understood as meaning that a stated feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' features, this designation serves to distinguish two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- PositionssensorPosition sensor
- 22
- SensorträgerSensor carrier
- 33
- SteuereinheitControl unit
- 44
- EmpfängerspuleReceiver coil
- 55
- EmpfängerspuleReceiver coil
- 66
- SenderspuleTransmitter coil
- 77
- SensortargetSensor target
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009001353 A1 [0007]DE 102009001353 A1 [0007]
- DE 102018130228 A1 [0013]DE 102018130228 A1 [0013]
- US 20020043972 A1 [0015]US 20020043972 A1 [0015]
- US 20160349084 A1 [0016]US 20160349084 A1 [0016]
Claims (10)
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-
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