DE102022131780A1 - Inductive angle sensor - Google Patents
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Abstract
Induktiver Drehwinkelsensor- mit einem Stator (100), der eine Erregerschaltung, eine Erregerspule (101.1), wenigstens eine erste Empfangsspule (101.11) und eine Auswerteschaltung aufweist, und- mit einem Rotor (200), der eine erste geschlossene Leiterschleife (200.1) aufweist,- wobei mit der Erregerschaltung ein Erregersignal erzeugt werden kann, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen,- wobei eine Drehung des Rotors (200) das von der Erregerspule (101.1) erzeugte elektromagnetische Feld ändert,- wobei das elektromagnetische Feld ein erstes Empfangssignal in der ersten Empfangsspule (101.11) induziert,- wobei der Stator (100) wenigstens eine zweite Empfangsspule aufweist, die eine Form hat, die sich von einer Form der ersten Empfangsspule (101.11) unterscheidet,- wobei der Rotor (200) eine zweite geschlossene Leiterschleife (200.3) aufweist, die eine Form hat, die sich von einer Form der ersten geschlossenen Leiterschleife (200.1) unterscheidet,- wobei das elektromagnetische Feld ein zweites Empfangssignal in der zweiten Empfangsspule induziert.Inductive angle of rotation sensor - with a stator (100) which has an excitation circuit, an excitation coil (101.1), at least one first receiving coil (101.11) and an evaluation circuit, and - with a rotor (200) which has a first closed conductor loop (200.1), - wherein an excitation signal can be generated with the excitation circuit in order to generate an electromagnetic field, - wherein a rotation of the rotor (200) changes the electromagnetic field generated by the excitation coil (101.1), - wherein the electromagnetic field induces a first receiving signal in the first receiving coil (101.11), - wherein the stator (100) has at least one second receiving coil which has a shape which differs from a shape of the first receiving coil (101.11), - wherein the rotor (200) has a second closed conductor loop (200.3) which has a shape which differs from a Shape of the first closed conductor loop (200.1), wherein the electromagnetic field induces a second reception signal in the second reception coil.
Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Drehwinkelsensor
- - mit einem Stator, der eine Erregerschaltung, eine Erregerspule, wenigstens eine erste Empfangsspule und eine Auswerteschaltung aufweist, und
- - mit einem Rotor, der eine erste geschlossene Leiterschleife aufweist,
- - wobei mit der Erregerschaltung ein Erregersignal erzeugt werden kann,
- - wobei die Erregerspule an die Erregerschaltung angeschlossen ist und in die Erregerspule das Erregersignal eingekoppelt werden kann, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen,
- - wobei eine Drehung des Rotors das von der Erregerspule erzeugte elektromagnetische Feld ändert,
- - wobei das elektromagnetische Feld, insbesondere die Änderung des elektromagnetischen Felds ein erstes Empfangssignal in der ersten Empfangsspule induziert,
- - und wobei die Auswerteschaltung an die erste Empfangsspule angeschlossen ist und mit der Auswerteschaltung das in der ersten Empfangsspule induzierte Empfangssignal ausgewertet werden kann.
- - with a stator having an excitation circuit, an excitation coil, at least one first receiving coil and an evaluation circuit, and
- - with a rotor having a first closed conductor loop,
- - whereby an excitation signal can be generated with the excitation circuit,
- - wherein the excitation coil is connected to the excitation circuit and the excitation signal can be coupled into the excitation coil to generate an electromagnetic field,
- - whereby a rotation of the rotor changes the electromagnetic field generated by the excitation coil,
- - wherein the electromagnetic field, in particular the change in the electromagnetic field, induces a first reception signal in the first reception coil,
- - and wherein the evaluation circuit is connected to the first receiving coil and the received signal induced in the first receiving coil can be evaluated with the evaluation circuit.
Ein induktiver Drehwinkelsensor mit diesen Merkmalen ist zum Beispiel aus dem Dokument
Auch aus anderen Dokumenten sind Drehwinkelsensoren bekannt.Angle of rotation sensors are also known from other documents.
So ist es zum Beispiel aus den Dokumenten
Jede mechanische Kopplung von Rotoren von zwei Sensoren hat Toleranzen zur Folge, die zu Messfehlern führen können.Any mechanical coupling of rotors of two sensors results in tolerances that can lead to measurement errors.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.This is where the present invention comes in.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen induktiven Drehsensor vorzuschlagen, der zwei Messbereiche nutzt, um eine genauere Erfassung des Drehwinkels zu ermöglichen.The present invention is based on the object of proposing an inductive rotation sensor which uses two measuring ranges to enable a more precise detection of the angle of rotation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- - der Stator wenigstens eine zweite Empfangsspule aufweist, die eine Form hat, die sich von einer Form der ersten Empfangsspule unterscheidet,
- - der Rotor eine zweite geschlossene Leiterschleife aufweist, die eine Form hat, die sich von einer Form der ersten geschlossenen Leiterschleife unterscheidet,
- - wobei das elektromagnetische Feld, insbesondere die Änderung des elektromagnetischen Felds ein zweites Empfangssignal in der zweiten Empfangsspule induziert,
- - und wobei die Auswerteschaltung an die zweite Empfangsspule angeschlossen ist und mit der Auswerteschaltung das in der zweiten Empfangsspule induzierte Empfangssignal ausgewertet werden kann.
- - the stator has at least a second receiving coil having a shape that differs from a shape of the first receiving coil,
- - the rotor has a second closed conductor loop which has a shape that differs from a shape of the first closed conductor loop,
- - wherein the electromagnetic field, in particular the change in the electromagnetic field, induces a second reception signal in the second reception coil,
- - and wherein the evaluation circuit is connected to the second receiving coil and the evaluation circuit can evaluate the received signal induced in the second receiving coil.
Der erfindungsgemäße Sensor weist zwei Messsysteme mit verschiedenen Messbereichen auf. Zum ersten Messsystem gehören die Erregerschaltung, die Erregerspule, die erste geschlossene Leiterschleife des Rotors, die wenigstens eine erste Empfangsspule und die Auswerteschaltung. Zum zweiten Messsystem gehören die Erregerschaltung, die Erregerspule, die zweite geschlossene Leiterschleife des Rotors, die wenigstens eine zweite Empfangsspule und die Auswerteschaltung. Dadurch, dass die erste und die zweite geschlossene Leiterschleife und die wenigstens eine erste Empfangsspule und die wenigstens eine zweite Empfangsspule verschiedene Formen haben, ergeben sich verschiedene Messbereiche der beiden Messsysteme. In den Empfangsspulen der beiden Messsysteme werden Empfangssignale induziert, die sich voneinander unterscheiden. Die Auswerteschaltung wertet die Empfangssignale aus und ermittelt aus beiden Empfangssignalen die Drehstellung des Rotors.The sensor according to the invention has two measuring systems with different measuring ranges. The first measuring system includes the excitation circuit, the excitation coil, the first closed conductor loop of the rotor, the at least one first receiving coil and the evaluation circuit. The second measuring system includes the excitation circuit, the excitation coil, the second closed conductor loop of the rotor, the at least one second receiving coil and the evaluation circuit. Because the first and second closed conductor loops and the at least one first receiving coil and the at least one second receiving coil have different shapes, different measuring ranges are obtained for the two measuring systems. Received signals that differ from one another are induced in the receiving coils of the two measuring systems. The evaluation circuit evaluates the received signals and determines the rotational position of the rotor from both received signals.
Eine Möglichkeit ist es, dass die Leiterschleifen des Rotors und auch Leiterschleifen der Empfangsspulen regelmäßig, insbesondere sternartig geformt sind. Dabei kann dann die sternartige Form der Leiterschleife des Rotors und der Leiterschleifen der wenigstens einen Empfangsspule des einen Messsystems fünf Zacken oder Ausbuchtungen und die sternartige Form der Leiterschleife des Rotors und der Leiterschleifen der wenigstens einen Empfangsspule des einen Messsystems sechs Zacken oder Ausbuchtungen aufweisen.One possibility is that the conductor loops of the rotor and also the conductor loops of the receiving coils are regularly shaped, in particular star-shaped. The star-shaped shape of the conductor loop of the rotor and the conductor loops of the at least one receiving coil of the one measuring system can then have five points or bulges and the star-shaped shape of the conductor loop of the rotor and the conductor loops of the at least one receiving coil of the one measuring system can have six points or bulges.
Die Leiterschleifen des Rotors können als Leiterbahnen auf zwei verschiedenen Seiten einer Leiterplatte angeordnet sein. Die Leiterschleifen können auch als Blechstanzteile ausgeführt sein, die an einer isolierenden Platte, zum Beispiel einer Leiterplatte befestigt sind. Die Leiterschleifen und die isolierende Platte bilden den Rotor, der an einem Gegenstand befestigt werden kann, dessen Drehung gegenüber dem Stator des Sensors ermittelt werden soll.The conductor loops of the rotor can be arranged as conductor tracks on two different sides of a circuit board. The conductor loops can also be designed as stamped sheet metal parts that are attached to an insulating plate, for example a circuit board. The conductor loops and the insulating plate form the rotor, which can be attached to an object whose rotation relative to the stator of the sensor is to be determined.
Anstelle einer Erregerspule können auch zwei Erregerspulen vorgesehen sein, von denen eine erste Erregerspule der ersten Leiterschleife des Rotors und der wenigstens einen ersten Empfangsspule und eine zweite Erregerspule der zweiten Leiterschleife des Rotors und der wenigstens einen zweiten Empfangsspule zugeordnet ist. Die Erregerspulen können so angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen der ersten Erregerspule und der ersten Leiterschleife des Rotors und der Abstand zwischen der zweiten Erregerspule und der zweiten Leiterschleife des Rotors gleich ist.Instead of one excitation coil, two excitation coils can also be provided, of which a first excitation coil is assigned to the first conductor loop of the rotor and the at least one first receiving coil and a second excitation coil is assigned to the second conductor loop of the rotor and the at least one second receiving coil. The excitation coils can be arranged such that a distance between the first excitation coil and the first conductor loop of the rotor and the distance between the second excitation coil and the second conductor loop of the rotor are the same.
Die erste Erregerspule und die wenigstens eine erste Empfangsspule können in einer Ebene angeordnet sein. Auch die zweite Erregerspule und die zweite Empfangsspule können in einer Ebene angeordnet sein.The first excitation coil and the at least one first receiving coil can be arranged in one plane. The second excitation coil and the second receiving coil can also be arranged in one plane.
Die Erregerspule bzw. die Erregerspulen können als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte realisiert sein. Die Leiterplatte kann aus FR4 hergestellt sein. Sie kann mehrlagig ausgeführt sein.The excitation coil or coils can be implemented as conductor tracks on a circuit board. The circuit board can be made of FR4. It can be multi-layered.
Die Erregerspule bzw. die Erregerspulen können im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt sein und sie kann bzw. können eine oder mehrere Windungen in einer oder mehreren Ebenen der Leiterplatte aufweisen.The excitation coil or coils may be substantially circular and may have one or more turns in one or more levels of the circuit board.
Die wenigstens eine erste oder zweite Empfangsspule kann innerhalb der (zugeordneten) Erregerspule, außerhalb der (zugeordneten) Erregerspule oder auch sowohl innerhalb als auch außerhalb der (zugeordneten) Erregerspule angeordnet sein.The at least one first or second receiving coil can be arranged inside the (assigned) excitation coil, outside the (assigned) excitation coil or both inside and outside the (assigned) excitation coil.
Der Stator eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors kann neben der ersten Empfangsspule, nachfolgend als erste erste Empfangsspule bezeichnet, wenigstens eine weitere erste Empfangsspule aufweisen, vorzugsweise eine zweite erste Empfangsspule und eine dritte erste Empfangsspule. Die ersten Empfangsspulen können eine gleiche Form haben wie die erste Leiterschleife des Rotors, wobei die ersten Empfangsspulen und die erste Leiterschleife sich lediglich dadurch unterscheiden, dass die ersten Empfangsspulen offene Leiterschleifen sind, während die erste Leiterschleife eine geschlossene Leiterschleife ist. Aus der Form der ersten Leiterschleife und der ersten Empfangsspulen kann sich ein erster Messbereich ergeben, der sich über einen ersten Winkel erstreckt. Dann sind vorzugsweise die ersten Empfangsspulen um einen ersten Verschiebungswinkel gegeneinander gedreht, der dem Quotienten aus dem ersten Winkel durch die Anzahl der ersten Empfangsspulen entspricht.The stator of a rotation angle sensor according to the invention can have at least one further first receiving coil, preferably a second first receiving coil and a third first receiving coil, in addition to the first receiving coil, hereinafter referred to as the first first receiving coil. The first receiving coils can have the same shape as the first conductor loop of the rotor, the first receiving coils and the first conductor loop differing only in that the first receiving coils are open conductor loops, while the first conductor loop is a closed conductor loop. The shape of the first conductor loop and the first receiving coils can result in a first measuring range that extends over a first angle. The first receiving coils are then preferably rotated relative to one another by a first displacement angle that corresponds to the quotient of the first angle divided by the number of first receiving coils.
Der Stator eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors kann neben der zweiten Empfangsspule, nachfolgend als erste zweite Empfangsspule bezeichnet, wenigstens eine weitere zweite Empfangsspule aufweisen, vorzugsweise eine zweite zweite Empfangsspule und eine dritte zweite Empfangsspule. Die zweiten Empfangsspulen können eine gleiche Form haben wie die zweite Leiterschleife des Rotors, wobei die zweiten Empfangsspulen und die zweite Leiterschleife sich lediglich dadurch unterscheiden können, dass die zweiten Empfangsspulen offene Leiterschleifen sind, während die zweite Leiterschleife eine geschlossene Leiterschleife ist. Aus der Form der zweiten Leiterschleife und der zweiten Empfangsspulen kann sich ein zweiter Messbereich ergeben, der sich über einen zweiten Winkel erstreckt. Die zweiten Empfangsspulen können um einen ersten Verschiebungswinkel gegeneinander gedreht sein, der dem Quotienten aus dem zweiten Winkel durch die Anzahl der zweiten Empfangsspulen entspricht.The stator of a rotation angle sensor according to the invention can have at least one further second receiving coil, preferably a second second receiving coil and a third second receiving coil, in addition to the second receiving coil, hereinafter referred to as the first second receiving coil. The second receiving coils can have the same shape as the second conductor loop of the rotor, wherein the second receiving coils and the second conductor loop can only differ in that the second receiving coils are open conductor loops, while the second conductor loop is a closed conductor loop. The shape of the second conductor loop and the second receiving coils can result in a second measuring range that extends over a second angle. The second receiving coils can be rotated relative to one another by a first displacement angle that corresponds to the quotient of the second angle divided by the number of second receiving coils.
Die Leiterschleifen und Empfangsspulen können nach außen und innen verlaufende Leiterbahnbereiche haben, die einander abwechseln und über auf einer inneren oder äußeren Kreisbahn verlaufende Leiterbahnbereiche verbunden sind.The conductor loops and receiving coils can have outward and inward conductor track areas that alternate with each other and are connected via conductor track areas that run on an inner or outer circular path.
Gemäß der Erfindung kann mit der Erregerschaltung als Erregersignal ein Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 3 bis 4 MHz, vorzugsweise 3,5 MHz erzeugt werden.According to the invention, the excitation circuit can generate an alternating current with a frequency between 3 and 4 MHz, preferably 3.5 MHz, as the excitation signal.
Es ist möglich, dass die Empfangssignale in der Auswerteschaltung oder in den Auswerteschaltungen zum Zweck der Auswertung mit den Erregersignalen gemischt werden.It is possible that the received signals in the evaluation circuit or in the evaluation circuits are mixed with the excitation signals for the purpose of evaluation.
Ein erfindungsgemäßer Drehwinkelsensor ist anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors von der Seite, -
2 eine schematische Draufsicht auf eine erste Erregerspule und erste Empfangsspulen eines Stators des Drehwinkelsensors aus1 , -
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Leiterschleife eines Rotors des Drehwinkelsensors aus1 und -
4 Verläufe eines ersten Empfangssignals einer der ersten Empfangsspulen und eines zweiten Empfangssignals einer der zweiten Empfangsspulen eines erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors.
-
1 a schematic representation of a rotation angle sensor according to the invention from the side, -
2 a schematic plan view of a first excitation coil and first receiving coils of a stator of the rotation angle sensor from1 , -
3 a schematic plan view of a first conductor loop of a rotor of the rotation angle sensor from1 and -
4 Courses of a first received signal of one of the first receiving coils and a second received signal of one of the second receiving coils of a rotation angle sensor according to the invention.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor weist einen ortsfest angenommenen Stator 100 mit einer mehrlagigen Leiterplatte 100.1, welche bevorzugt aus FR4 und mehrlagig ausgeführt ist, und einen an einem drehbaren Gegenstand angeordneten Rotor 200 mit geschlossenen Leiterschleifen 200.1 und 200.3 auf.The rotation angle sensor according to the invention has a
Auf der Leiterplatte 100.1 sind zwei Sensorstrukturen 101 und 102 mit jeweils unterschiedlichen Messbereichen vorgesehen. In der dargestellten Ausführung sind die Sensorstrukturen 101 und 102 als auf einer Leiterplatte 100.1 angeordnete Spulen ausgeführt, mit denen der Drehwinkel induktiv bestimmt wird. Die Sensorstrukturen 101 und 102 sind auf unterschiedlichen Lagen angeordnet. Diesen Sensorstrukturen 101 und 102 ist jeweils eine geschlossene Leiterschleife des Rotors 200 zugeordnet.Two
Die Sensorstruktur 101 ist auf der Leiterplatte 100.1 realisiert, welche bevorzugt aus FR4 und mehrlagig ausgeführt ist. Die Leiterplatte trägt eine erste Erregerspule 101.1 und eine zweite Erregerspule. Die Erregerspulen sind im Wesentlichen kreisförmig ausgeführt und in einer Windung angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass die Erregerspulen mehrere Windungen aufweisen und in einer oder mehreren Ebenen der Leiterplatte angeordnet sind. Darüber hinaus trägt die Leiterplatte drei erste Empfangsspulen 101.11, 101.12, 101.13 und drei zweite Empfangsspulen, welche innerhalb der Erregerspulen angeordnet sind. Sie können aber auch außerhalb der Erregerspulen oder auch sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erregerspulen angeordnet sein.The
In
Die Form der ersten Leiterschleife 200.1 entspricht der Form der ersten Empfangsspulen 101.11, 101.12, 101.13 und die Form der zweiten Leiterschleife 200.3 entspricht der Form der zweiten Empfangsspulen.The shape of the first conductor loop 200.1 corresponds to the shape of the first receiving coils 101.11, 101.12, 101.13 and the shape of the second conductor loop 200.3 corresponds to the shape of the second receiving coils.
Durch die Unterschiede in der Form ergeben sich unterschiedliche Messbereiche.The differences in shape result in different measuring ranges.
Bei einem mehrphasigen System, wie dem dargestellten, werden die ersten Empfängerspulen 101.11, 101.12, 101.13 und die zweiten Empfangsspulen in Abhängigkeit der Größe des Messbereichs und der Anzahl der Empfangsspulen zueinander platziert. Der Winkelunterschied zwischen den ersten Empfangsspulen 101.11, 101.12, 101.13 bzw. den zweiten Empfangsspulen beträgt im dargestellten dreiphasigen System 1/3 des Messbereichs.In a multi-phase system such as the one shown, the first receiver coils 101.11, 101.12, 101.13 and the second receiver coils are positioned relative to one another depending on the size of the measuring range and the number of receiver coils. The angle difference between the first receiver coils 101.11, 101.12, 101.13 and the second receiver coils in the three-phase system shown is 1/3 of the measuring range.
Die Leiterschleifen 200.1 und 200.3 sind vorzugsweise durch ein elektrisch isolierendes Element 200.2 voneinander getrennt. Ein Beispiel für solch eine Leiterschleife ist in
Erfolgt nun eine Rotation des Rotors 200 um die Drehachse, drehen sich beide Leiterschleifen 200.1 und 200.3. Der Drehwinkel wird mit den zwei Sensorstrukturen 101 und 102 in Kombination der jeweils zugeordneten Leiterschleife 200.1 bzw. 200.3 des Rotors 200 gemessen. Dabei können zum Beispiel in einer ersten Empfangsspule und in einer zweiten Empfangsspule Ströme induzierte werden, wie sie in der
Dazu werden die erste Erregerspule 101.1 und die zweite Erregerspule mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die eine Frequenz zwischen 3 MHz und 4 MHz, bevorzugt 3.5 MHz hat und Amplituden im Bereich weniger Volt aufweist. Dazu werden die Erregerspulen bevorzugt als frequenzbestimmendes Element in LC-Schwingkreisen verschaltet. In den ersten bzw. zweiten Empfangsspulen werden Spannungen induziert, deren Verlauf durch die Position des Rotors 200.1 beeinflusst wird. Durch Messung der an den Empfangsspulen anliegenden Spannungen und insbesondere durch Bestimmung der Amplituden kann dann der Drehwinkel des elektrisch leitfähigen Rotors berechnet werden.For this purpose, the first excitation coil 101.1 and the second excitation coil are supplied with an alternating voltage that has a frequency between 3 MHz and 4 MHz, preferably 3.5 MHz, and amplitudes in the range of a few volts. For this purpose, the excitation coils are preferably connected as a frequency-determining element in LC resonant circuits. Voltages are induced in the first and second receiving coils, the course of which is influenced by the position of the rotor 200.1. By measuring the voltages applied to the receiving coils and in particular by determining the amplitudes, the angle of rotation of the electrically conductive rotor can then be calculated.
Durch Integration der beiden Leiterschleifen 200.1, 200.3 in einem Rotor und der beiden Sensorstrukturen 101, 102 auf einer Leiterplatte 100.1 ist kein Getriebe notwendig und der notwendige Platz für den induktiven Drehwinkelsensor lässt sich reduzieren. Dadurch kann der induktive Drehwinkelsensor in einem geringeren Bauraum realisiert und die Fehlertoleranzen können aufgrund der geringeren Anzahl von mechanischen Bauelemente reduziert werden.By integrating the two conductor loops 200.1, 200.3 in a rotor and the two
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- Statorstator
- 100.1100.1
- mehrlagige Leiterplattemultilayer circuit board
- 101101
- erste Sensorstrukturfirst sensor structure
- 101.1101.1
- erste Erregerspulefirst excitation coil
- 101.11101.11
- erste erste Empfangsspulefirst first receiving coil
- 101.12101.12
- zweite erste Empfangsspulesecond first receiving coil
- 101.13101.13
- dritte erste Empfangsspulethird first receiving coil
- 102102
- zweite Sensorstruktursecond sensor structure
- 200200
- Rotorrotor
- 200.1200.1
- LeiterschleifeConductor loop
- 200.2200.2
- LeiterplatteCircuit board
- 200.3200.3
- LeiterschleifeConductor loop
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2180296 A1 [0002, 0004]EP 2180296 A1 [0002, 0004]
- EP 0389699 A1 [0004]EP 0389699 A1 [0004]
- DE 102004011125 A1 [0004]DE 102004011125 A1 [0004]
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