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Die Erfindung betrifft eine induktive Linearwegsensoranordnung zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers, welches durch eine solche induktive Linearwegsensoranordnung ausführbar ist.
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Aus der
DE 10 2015 206 500 A1 ist ein induktiver Wegsensor bekannt, welcher ein Spulensystem mit einer planaren Primärspule zur Erzeugung eines Magnetfelds und zwei innerhalb der Primärspule angeordneten planaren Sekundärspulen zur Sensierung einer Position eines Targets umfasst, welches entlang der Sekundärspulen bewegbar ist. Die Sekundärspulen weisen jeweils eine Überkreuzung auf. Hierbei sind die zwei identischen Sekundärspulen räumlich getrennt zueinander angeordnet, wobei die Überkreuzung jeder Sekundärspule parallel zur Bewegungsrichtung des Targets ausgerichtet ist.
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Aus der
DE 60 2004 006 168 T2 ist ein induktiver Positionssensor bekannt, welcher mindestens ein planes Substrat, auf dem eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne ausgebildet sind; und ein zwischengeordnetes Kopplungselement umfasst, das dazu ausgelegt ist, relativ zu dem mindestens einen planen Substrat entlang einer Messrichtung quer zum planen Substrat bewegt zu werden. Gemäß der Position des zwischengeordneten Kopplungselements entlang der Messrichtung variiert die elektromagnetische Kopplung zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne, wobei mindestens die Sendeantenne oder die Empfangsantenne eine erste Spule um eine erste Achse und eine zweite Spule um eine zweite Achse aufweist, die zur ersten Achse quer ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die induktive Linearwegsensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Absolutposition eines entlang einer Bewegungsbahn beweglichen Körpers, an welchem ein elektrisch leitendes Koppelelement angeordnet ist, bei erhöhter Periodizität mindestens einer Empfangsstruktur aus mindestens zwei induzierten Messsignalen einfach bestimmt werden kann. Üblicherweise wird die mindestens eine Empfangsstruktur derart gestaltet, dass mehrere Messsignalperioden über den Messbereich auftreten. Dies führt zu einer höheren Signalauflösung und damit zu einer geringeren Abweichung der ermittelten Position des beweglichen Körpers. Als nachteilig kann dabei angesehen werden, dass die Absolutposition des beweglichen Körpers aufgrund der resultierenden Mehrdeutigkeit nicht mehr aus den Messsignalen bestimmbar ist. Durch einen über die Bewegungsbahn des beweglichen Körpers variierenden Luftspalt zwischen dem Koppelelement und der mindestens einen Empfangsstruktur ist es möglich, bei erhöhter Periodizität der mindestens einen Empfangsstruktur die Absolutwinkelposition aus den Messsignalen zu bestimmen, da der über den Messbereich variable Luftspalt die mindestens zwei Messsignale gleichermaßen beeinflusst. Der wesentlichen Gedanke der Erfindung besteht in einer Modulation einer Absolutposition auf eine Vektorlänge bzw. Amplitude eines aus den mindestens zwei Messsignalen ermittelten Vektors, welche durch den variablen Luftspalt bewirkt wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine induktive Linearwegsensoranordnung zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers, mit einem am beweglichen Körper angeordneten elektrisch leitenden Koppelelement und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung zur Verfügung, welche mindestens einen Schaltungsträger mit mindestens einer Erregerstruktur und mindestens einer Empfangsstruktur umfasst. Die mindestens eine Erregerstruktur ist mit mindestens einer Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur einkoppelt. Das Koppelelement beeinflusst eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur. Hierbei variiert ein Luftspalt zwischen dem Koppelelement und der mindestens einen Empfangsstruktur entlang einer Bewegungsbahn des Koppelelements zwischen einer Startposition und einer Zielposition und bewirkt eine Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ist ausgeführt, die in der mindestens einen Empfangsstruktur induzierten mindestens zwei Messsignale auszuwerten und unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche über die Bewegungsbahn des elektrisch leitenden Koppelelements Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale moduliert, eine aktuelle Absolutwinkelposition zu ermitteln, welche die aktuelle Position des Koppelelements und des beweglichen Körpers repräsentiert.
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Zudem wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers vorgeschlagen, welches durch eine solche induktive Linearwegsensoranordnung ausführbar ist. Hierbei wird während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in mindestens eine Erregerstruktur einkoppelt. Ein elektrisch leitendes Koppelelement wird mit dem beweglichen Körper verbunden und stellt eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und mindestens einer Empfangsstruktur her. Über die mindestens eine Empfangsstruktur werden mindestens zwei verschiedene Messsignale induziert und als näherungsweise trigonometrische Signale zur Verfügung gestellt, welche jeweils eine Periodizität von mindestens zwei aufweisen. Basierend auf den mindestens zwei Messsignalen und einer auf Amplituden der mindestens zwei Messsignale modulierten weiteren Information wird eine aktuelle Absolutwinkelposition ermittelt, welche die absolute Position des Koppelelements und des beweglichen Körpers repräsentiert.
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Unter einer Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrische Baugruppe bzw. elektrische Schaltung verstanden werden, welche erfasste Sensorsignale aufbereitet bzw. verarbeitet bzw. auswertet. Vorzugsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit als ASIC-Baustein (ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgeführt sein. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil des ASIC-Bausteins sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Unter der Erregerstruktur kann nachfolgend eine Sendespule mit einer vorgegebenen Windungszahl verstanden werden, welche das von der mindestens einen Oszillatorschaltung eingekoppelte Wechselsignal aussendet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen induktive Linearwegsensoranordnung zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers und des im unabhängigen Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrens zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens zwei Empfangsspulen aufweisen kann. Hierbei können die mindestens zwei Empfangsspulen jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweisen, deren Geometrie derart gestaltet ist, dass die induzierten mindestens zwei Messsignale als näherungsweise trigonometrische Signale auftreten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Linearwegsensoranordnung kann die mindestens eine Empfangsstruktur genau zwei Empfangsspulen aufweisen, welche jeweils eine Periodizität von mindestens zwei aufweisen. Hierbei kann eine erste Empfangsspule einen Sinuskanal ausbilden und eine zweite Empfangsspule kann einen Cosinuskanal ausbilden. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit kann ausgeführt sein, aus einem ersten Messsignal des Sinuskanals und aus einem zweiten Messsignal des Cosinuskanals durch eine Arcustangensfunktion einen korrespondierenden Winkelwert zu ermitteln, auf welchem eine aktuelle Position des Koppelelements auf der Bewegungsbahn basiert. Alternativ kann die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens drei Empfangsspulen aufweisen, welche jeweils eine Periodizität von mindestens zwei aufweisen und ein Mehrphasensystem ausbilden. Hierbei kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt sein, eine geeignete Phasentransformation von Messsignalen des Mehrphasensystems durchzuführen und mittels einer Arcustangensfunktion einen korrespondierenden Winkelwert zu ermitteln, auf welchem eine aktuelle Position des Koppelelements auf der Bewegungsbahn basiert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Linearwegsensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit weiter ausgeführt sein, eine aktuelle Absolutposition des Koppelelements auf der Bewegungsbahn basierend auf dem bestimmten Winkelwert und der Information über die sich ändernden Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale zu ermitteln.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Linearwegsensoranordnung kann die Auswerte- und Steuereinheit weiter ausgeführt sein, bei einer automatischen Verstärkungsregelung einen aktuellen Verstärkungsfaktor bei der Ermittlung der aktuellen Absolutposition des Koppelelements zu berücksichtigen. Eine solche automatische Verstärkungsregelung kann beispielsweise angewandt werden, um einen bestmöglichen Signal-Rausch-Abstand am Ausgang der mindestens einen Auswerte- und Steuereinheit zu erzielen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann zur Ermittlung der Absolutwinkelposition des Koppelelements und des beweglichen Körpers eine Länge und ein Winkel eines Vektors ermittelt und ausgewertet werden, welcher aus den induzierten Messsignalen oder aus Signalen gebildet wird, welche aus den induzierten Messsignalen transformiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen induktiven Linearwegsensoranordnung zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers.
- 2 zeigt ein schematisches Kennliniendiagramm von zwei Messsignalen der erfindungsgemäßen induktiven Linearwegsensoranordnung aus 1.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer aus den beiden Messsignalen aus 2 gebildeten Lissajous-Figur.
- 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Linearwegsensoranordnung 1 zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers ein elektrisch leitendes Koppelelement 3, welches an einem nicht näher dargestellten beweglichen Körper angeordnet ist, und mindestens eine Messwerterfassungsvorrichtung 10, welche mindestens einen Schaltungsträger 12 mit mindestens einer Erregerstruktur 14 und mindestens einer Empfangsstruktur 16 umfasst. Die mindestens eine Erregerstruktur 14 ist mit mindestens einer nicht dargestellten Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur 14 einkoppelt. Das Koppelelement 3 beeinflusst eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur 14 und der mindestens einen Empfangsstruktur 16. Ein Luftspalt LS zwischen dem Koppelelement 3 und der mindestens einen Empfangsstruktur 16 variiert entlang einer Bewegungsbahn BB des Koppelelements 3 zwischen einer Startposition SP und einer Zielposition ZP und bewirkt eine Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen MS1, MS2. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit wertet die in der mindestens einen Empfangsstruktur 16 induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 aus und ermittelt unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche über die Bewegungsbahn BB des elektrisch leitenden Koppelelements 3 Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 moduliert, eine aktuelle Absolutwinkelposition, welche die aktuelle Position des Koppelelements 3 und des beweglichen Körpers repräsentiert.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel der induktive Linearwegsensoranordnung 1 nur eine in einen durchsichtig dargestellten Schaltungsträger 12 integrierte Empfangsstruktur 16, welche zwei Empfangsspulen 16A, 16B aufweist. Die beiden Empfangsspulen 16A, 16B weisen jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur 16.1A, 16.1B, 16.2A, 16.2B auf, deren Geometrie derart gestaltet ist, dass die induzierten beiden Messsignale MS1, MS2 als näherungsweise trigonometrische Signale auftreten, wie aus 2 ersichtlich ist. Der Schaltungsträger 12 ist als mehrlagige Leiterplatte 12A ausgeführt. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weisen die einzelnen sich wiederholenden Schleifenstrukturen 16.1A, 16.1B, 16.2A, 16.2B der beiden Empfangsspulen 16A, 16B jeweils eine Sinusform auf, wobei die sich wiederholenden Schleifenstrukturen 16.1B, 16.2B der zweiten Empfangsspule 16B um 90° gegenüber den sich wiederholenden Schleifenstrukturen 16.1A, 16.2A der ersten Empfangsspule 16A verschoben sind. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, sind Abschnitte der sich wiederholenden Schleifenstrukturen 16.1A, 16.1B, 16.2A, 16.2B der beiden Empfangsspulen 16A, 16B in unterschiedlichen Lagen des Schaltungsträgers 12 angeordnet, so dass Überschneidungen einfach vermieden werden können. Die in verschiedenen Lagen angeordneten Abschnitte der sich wiederholenden Schleifenstrukturen 16.1A, 16.1B, 16.2A, 16.2B sind über Durchkontaktierungen 16.3 miteinander elektrisch verbunden. Zudem weist die erste Empfangsspule 16A an der Zielposition ZP einen nicht näher bezeichneten Umkehrpunkt auf, so dass jeweils zwischen zwei sich wiederholenden gegenläufigen Schleifenstrukturen 16.1A, 16.2A der ersten Empfangsspule 16A Flächen eingeschlossen werden, in welchen Magnetfelder mit unterschiedlicher Orientierung induziert werden. Hierbei bestimmt die Anzahl dieser Flächenpaare die Periodizität der ersten Empfangsspule 16A der Empfangsstruktur 16. Die zweite Empfangsspule 16B weist an der Zielposition ZP ebenfalls einen nicht näher bezeichneten Umkehrpunkt auf, so dass jeweils zwischen zwei sich wiederholenden gegenläufigen Schleifenstrukturen 16.1B, 16.2B der zweiten Empfangsspule 16B Flächen eingeschlossen werden, in welchen Magnetfelder mit unterschiedlicher Orientierung induziert werden. Hierbei bestimmt die Anzahl dieser Flächenpaare die Periodizität der zweiten Empfangsspule 16B der Empfangsstruktur 16. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die beiden Empfangsspulen jeweils eine Periodizität von zwei auf. Zudem bildet die erste Empfangsspule 16A der Empfangsstruktur 16 einen Sinuskanal aus, welcher das erste Messsignal MS1 bereitstellt. Die zweite Empfangsspule 16B der Empfangsstruktur 16 bildet einen Cosinuskanal aus, welcher das zweite Messsignal MS2 bereitstellt. Hierbei bestimmt die Auswerte- und Steuereinheit 18, welche als ASIC-Baustein 18A ausführt ist, mittels einer Arcustangensfunktion die korrespondierende Winkelposition aus den beiden Messsignalen MS1, MS2, auf welchem eine aktuelle Position des Koppelelements 3 auf der Bewegungsbahn BB basiert.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Linearwegsensoranordnung 1 weist die mindestens eine Empfangsstruktur 16 mindestens drei Empfangsspulen mit einer sich periodisch wiederholenden Schleifenstruktur auf. Die mindestens drei Empfangsspulen bilden ein Mehrphasensystem aus. Hierbei führt die korrespondierende Auswerte- und Steuereinheit 18 vorzugsweise mittels einer Clarke-Transformation, eine geeignete Phasentransformation von Signalen des Mehrphasensystems durch und bestimmt mittels einer Arcustangensfunktion die korrespondierende Winkelposition aus den beiden transformierten Messsignalen MS1, MS2.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist das Koppelelement 3, 3A, 3B welches auch als Target bezeichnet werden kann, in einer ersten Position, in welcher das Koppelelement 3A einen ersten Abstand AA zur Oberfläche der Leiterplatte 12A aufweist, und in einer zweiten Position dargestellt, in welcher das Koppelelement 3B einen zweiten Abstand AB zur Oberfläche der Leiterplatte 12A aufweist. Das bedeutet, dass der Luftspalt LS an der dargestellten ersten Position des Koppelelements 3A dem ersten Abstand AA entspricht und an der dargestellten zweiten Position des Koppelelements 3B dem zweiten Abstand AB entspricht. Die Höhe der in die Empfängerspulen 16A, 16B induzierten Spannungen ist vom Luftspalt LS abhängig. Bei bekannten Linearwegsensoranordnungen wird typischerweise ein konstanter Luftspalt LS gewählt, um ein konstantes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Durch die nicht parallele Führung des Koppelelements 3 entlang der Bewegungsbahn BB ist der Luftspalt LS variabel, was die Höhe bzw. Amplitude der induzierten Spannungen bzw. Messsignale MS1, MS2 beeinflusst. Eine Bewegung des Koppelelements 3 über den gesamten Messbereich entlang der Bewegungsbahn BB führt zu den demodulierten Messsignalen MS1, MS2 in 2. In der komplexen Ebene in 3 beschreiben die Messsignale MS1, MS2 einen Vektor VA, VB der sich je nach der Position des Koppelelements 3 zwischen der Startposition SP und der Zielposition ZP entlang der gezeichneten Lissajous-Figur bewegt. Hierbei wird die Vektorlänge durch den Luftspalt LS beeinflusst. Exemplarisch sind in 3 die Vektoren VA, VB für die zwei in 1 dargestellten Positionen des Koppelelements 3, 3A, 3B dargestellt. Die Zielposition ZP entspricht dem Ende des Messbereichs mit dem geringsten Luftspalt LS und damit den höchsten Signalamplituden. Analog entspricht die Startposition SP dem Ende des Messbereichs mit dem größten Luftspalt LS und den geringsten Signalamplituden. Aufgrund der Periodizität von zwei lässt sich aus den elektrischen Phasenwinkeln a und b nicht auf die Absolutposition schließen, da über den kompletten Messbereich zwei Umdrehungen eines Vektors VA, VB erfolgen. Lediglich unter Betrachtung der durch den variablen Luftspalt LS bewirkten veränderlichen Vektorlänge als zusätzliche Information ist eine eindeutige Zuordnung zur absoluten Position des Koppelelements 3 möglich. Das bedeutet, dass die Auswerte- und Steuereinheit 18 eine aktuelle Absolutposition des Koppelelements 3 auf der Bewegungsbahn BB basierend auf dem bestimmten Winkelwert und der Information über die sich ändernden Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 ermittelt. Zur Ermittlung der Absolutwinkelposition bzw. der Absolutposition des Koppelelements 3 und des beweglichen Körpers bestimmt die Auswerte- und Steuereinheit die Länge und den Winkel a, b des korrespondierenden Vektors VA, VB, welcher aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 oder aus Signalen gebildet wird, welche aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 transformiert werden, und wertet diese aus.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Linearwegsensoranordnung 1 führt die Auswerte- und Steuereinheit 18 eine automatische Verstärkungsregelung aus, so dass ein aktueller Verstärkungsfaktor bei der Ermittlung der aktuellen Absolutposition des Koppelelements 3 berücksichtigt wird.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Ermittlung einer Position eines beweglichen Körpers, welches durch die oben beschriebene induktive Linearwegsensoranordnung 1 ausführbar ist, einen Schritt S100, in welchem während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in mindestens eine Erregerstruktur 14 einkoppelt wird. Hierbei wird ein elektrisch leitendes Koppelelement 3 mit dem beweglichen Körper verbunden, welches eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur 14 und mindestens einer Empfangsstruktur 16 herstellt. In einem Schritt S110 werden über die mindestens eine Empfangsstruktur 16 mindestens zwei verschiedene Messsignale MS1, MS2 induziert und als näherungsweise trigonometrische Signale in einem Schritt S120 zur Verfügung gestellt, welche jeweils eine Periodizität von mindestens zwei aufweisen. In einem Schritt S130 wird basierend auf den mindestens zwei Messsignalen MS1, MS2 und einer auf Amplituden der mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 modulierten weiteren Information eine aktuelle Absolutwinkelposition ermittelt, welche die absolute Position des Koppelelements 3 und des beweglichen Körpers repräsentiert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 wird im Schritt S130 zur Ermittlung der Absolutwinkelposition des Koppelelements 3 und des beweglichen Körpers eine Länge und ein Winkel a, b eines Vektors VA, VB ermittelt und ausgewertet, welcher aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 oder aus Signalen gebildet wird, welche aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 transformiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206500 A1 [0002]
- DE 602004006168 T2 [0003]
