DE102022208802A1

DE102022208802A1 - Induktive Sensoranordnung und Verfahren zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers

Info

Publication number: DE102022208802A1
Application number: DE102022208802.6A
Authority: DE
Inventors: Sina Fella; Robert Alexander Dauth; Stefan Kuntz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung (1) zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers (3), mit einer an dem drehbeweglichen Körper (3) angeordneten Koppelvorrichtung (20), welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente (22) und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung (10), welche einen Schaltungsträger (12) mit mindestens einer Erregerstruktur (14) und mindestens einer Empfangsstruktur (16) umfasst, wobei während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal (WS) in die mindestens eine Erregerstruktur (14) einkoppelbar ist, wobei die Koppelvorrichtung (20) eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur (14) und der mindestens einen Empfangsstruktur (16) beeinflusst, und ausgeführt ist, über die Drehbewegung der elektrisch leitenden Koppelvorrichtung (20) und des drehbeweglichen Körpers (3) eine auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basierende gezielte Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen (MS1, MS2) zu bewirken, wobei mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (18) ausgeführt ist, die in der mindestens einen Empfangsstruktur (16) induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) auszuwerten und unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche auf der gezielten Amplitudenänderung der induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) basiert, den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers (3) zu ermitteln, sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers (3), welches durch eine solche induktive Sensoranordnung (1) ausführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers, welches durch eine solche induktive Sensoranordnung ausführbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind induktive Rotorlagesensoren bekannt, welche mindestens eine Erregerspule, eine Koppelvorrichtung mit mindestens einem elektrisch leitenden Koppelelement und mindestens eine Empfangsspule umfasst. Die Koppelvorrichtung ist drehfest mit einer Welle des zu messenden Rotors verbunden. Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfangsspule sind auf einem ortsfesten Schaltungsträger angeordnet und der Koppelvorrichtung zugewandt. Die mindestens eine Erregerspule wird von einem hochfrequenten Strom durchflossen, der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in dem mindestens einem elektrisch leitenden Koppelelement der Koppelvorrichtung Wirbelströme induziert. Dadurch hängt die induktive Kopplung der mindestens einen Erregerspule und der mindestens einen Empfangsspule von der Winkelposition der Koppelvorrichtung ab. Durch mindestens ein in der mindestens einen Empfangsspule induziertes Messsignal kann auf den elektrischen Winkel des mindestens einen Messsignals geschlossen werden. Weist der Rotorlagensensor eine Periodizität auf, welche größer als „1“ ist, dann durchläuft ein elektrische Winkel des mindestens einen induzierten Messsignals innerhalb einer mechanischen Umdrehung der Welle mehrere Perioden, so dass im Normalfall nur über Umwege, wie beispielsweise durch „Mitzählen“ der Perioden, auf den mechanischen Winkel der Welle geschlossen werden kann.
Aus der DE 10 2020 114 861 A1 ist ein induktiver Positionssensor, insbesondere ein Segmentsensor, mit einem Statorelement, einem Rotorelement und einer Auswerteeinheit bekannt. Das Statorelement weist eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule, sowie ein Empfangssystem auf, wobei das Signal der Erregerspule in das Empfangssystem induktiv einkoppelt. Das Rotorelement beeinflusst die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement. Die Auswerteschaltung bestimmt die Winkelposition des Rotorelementes relativ zum Statorelement aus den in das Empfangssystem induzierten Spannungssignalen. Hierbei weist der Positionssensor einen Eindeutigkeitsbereich auf, in dem die Winkelposition eindeutig bestimmbar ist. Das Empfangssystem erstreckt sich über einen ersten Winkelbereich und die Erregerspule erstreckt sich über einen größeren zweiten Winkelbereich.
Offenbarung der Erfindung
Die induktive Sensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 haben jeweils den Vorteil, dass ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers ohne zusätzlichen Bauteile oder Sensoren, wie beispielsweise einem zusätzlichen magnetischen Sensor, berechnet werden kann, und trotzdem durch die erhöhte Periodizität eine gute Auflösung eines elektrischen Winkels mindestens eines induzierten Messsignals erzielt werden kann. Dies ermöglicht nachfolgend die harmonische Korrektur des mechanischen Winkelfehlers, so dass beispielsweise bei einer Motorregelung bessere Ergebnisse erzielt werden können. Zudem können Ausführungsformen der Erfindung bei Stellmotoren angewendet werden, die nur in einem bestimmten mechanischen Winkelbereich arbeiten. Hier kann durch Erhöhung der Periodizität direkt die Winkelauflösung des elektrischen Winkels des mindestens einen Messsignals verbessert werden, ohne dass die Information über den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers verloren geht.
Vor allem segmentierte induktive Rotorlagesensoren weisen bauartbedingt höhere Winkelfehler als induktive Rotorlagesensoren mit eine vollen 360-Grad Ausdehnung auf. Insbesondere bei der Montage des Segments durch „Aufstecken“ an der Welle, kann es durch Positionierungstoleranzen zu einer nicht idealen Anordnungen der Koppelvorrichtung und dem Schaltungsträger kommen. Um die hierbei entstehenden Winkelfehler beispielsweise durch geeignete Berechnungsmethoden nach dem Stand der Technik harmonisch zu korrigieren, ist die Kenntnis des mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers zusätzlich zum elektrischen Winkel des mindestens einen induzierten Messsignale vorteilhaft. Durch die Erfindung ist es möglich, den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers in einem beschränkten Eindeutigkeitsbereich aus einer einzelnen Messung zusätzlich zum elektrischen Winkel des mindestens einen induzierten Messsignals zu berechnen. Durch Auswerten eines Winkelbereichs ist anschließend die eindeutige Bestimmung des absoluten Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers möglich.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine induktive Sensoranordnung zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers, mit einer an dem drehbeweglichen Körper angeordneten Koppelvorrichtung, welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung zur Verfügung, welche einen Schaltungsträger mit mindestens einer Erregerstruktur und mindestens einer Empfangsstruktur umfasst. Während des Betriebs ist ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur einkoppelbar. Die Koppelvorrichtung beeinflusst eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur, und ist ausgeführt, über die Drehbewegung der elektrisch leitenden Koppelvorrichtung und des drehbeweglichen Körpers eine auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basierende gezielte Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen zu bewirken. Hierbei ist mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt, die in der mindestens einen Empfangsstruktur induzierten mindestens zwei Messsignale auszuwerten und unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche auf der gezielten Amplitudenänderung der induzierten mindestens zwei Messsignale basiert, den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers zu ermitteln.
Zudem wird ein Verfahren zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers vorgeschlagen, welches durch eine solche induktive Sensoranordnung ausführbar ist. Hierbei wird eine eine induktive Kopplung zwischen mindestens einer Erregerstruktur und mindestens einer Empfangsstruktur herstellende Koppelvorrichtung, welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, mit dem beweglichen Körper drehfest verbunden. Während des Betriebs wird ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur eingekoppelt und in der mindestens einen Empfangsstruktur werden mindestens zwei verschiedene Messsignale induziert und als näherungsweise trigonometrische Signale zur Verfügung gestellt. Basierend auf den mindestens zwei Messsignalen und einer auf die Amplituden der mindestens zwei Messsignale harmonisch modulierten weiteren Information, welche auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basiert, wird ein aktueller mechanischer Drehwinkel des beweglichen Körpers ermittelt.
Durch die gewollte Modulation der Amplituden der mindestens zwei Messsignale kann eine Information über den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbaren Körpers unabhängig vom elektrischen Winkel der mindestens zwei Messsignale in den Messsignalen kodiert werden. Durch die mit einem Wert von größer als „1“ vorgegebene Periodizität über eine mechanische Periode hinweg, unterstützt dieses Messprinzip keine „True Power-on“ Funktion. Das bedeutet, dass der mechanische Drehwinkel des drehbaren Körpers im Zeitpunkt des Einschaltens ohne zusätzliche Information über die Historie nicht eindeutig bestimmt werden kann. Für die Anwendung stellt dies aber meistens kein Problem dar, da der elektrische Winkel der mindestens zwei Messsignale, welcher beispielsweise für die Kommutierung von Motoren verwendet werden kann, direkt eindeutig verfügbar ist. Die Kenntnis des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbaren Körpers ermöglicht durch bessere Kompensationsmethoden des Winkelfehlers eine Komfortsteigerung bzw. ermöglich überhaupt erst bestimmte Systemfunktionen, wie beispielsweise ein Anfahren eines bestimmten mechanischen Drehwinkels. Vorzugsweise findet eine sinusförmige, d.h. harmonische, Modulation der Amplituden der mindestens zwei induzierten Messsignale über eine mechanische Umdrehung hinweg statt, deren Phase und Amplitude von der Auswerte- und Steuereinheit nach einer Drehung der Koppelvorrichtung um eine vollständige mechanische Umdrehung eindeutig erkannt werden kann. Die Erkennung kann vorzugsweise mittels einer Fouriertransformation (z.B. FFT) stattfinden.
Das Prinzip der gewollten Modulationen der Amplituden der mindestens zwei Messsignale ist nicht zu verwechseln mit der hochfrequenten Modulation der induzierten Messsignale in der mindestens einen Empfangsstruktur. Vorzugsweise kann die gewollte Modulation der Amplituden der mindestens zwei Messsignale klein sein im Vergleich zum Nutzsignal (z.B. 5%), um zusätzliche Winkelfehler durch die Modulation zu vermeiden. In einer möglichen Ausführungsform können die Amplituden der mindestens zwei Messsignale so moduliert werden, dass sie einen Nonius mit dem elektrischen Winkel der induzierten mindestens zwei Messsignale bilden.
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.
Unter der Erregerstruktur kann nachfolgend eine Sendespule mit einer vorgegebenen Windungszahl verstanden werden, welche das von mindestens einer Oszillatorschaltung eingekoppelte Wechselsignal aussendet.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen induktiven Sensoranordnung und des im unabhängigen Patentanspruch 10 angegebenen Verfahrens zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens zwei elektrisch leitenden Koppelelemente der Koppelvorrichtung verschiedene Abstände zu der mindestens einen Empfangsstruktur aufweisen können, welche die Luftspaltänderung vorgeben. Dies ermöglicht eine einfache konstruktive Umsetzung der gezielten Amplitudenänderung der induzierten mindestens zwei Messsignale. Vorzugsweise kann eine durch die verschiedenen Abstände bewirkte Luftspaltdifferenz der mindestens zwei elektrisch leitenden Koppelelemente der Koppelvorrichtung an ein bevorzugtes Signal-zu-Rauschen Verhältnis und/oder eine gewünschte Robustheit der Erkennung des Winkelbereichs angepasst werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann der Schaltungsträger mit der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur nur ein vorgegebenes Segment der Drehbewegung der Koppelvorrichtung und des drehbeweglichen Körpers abdecken. Diese Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere für Stellmotoren eingesetzt werden, die nur in einem bestimmten Winkelbereich arbeiten. Alternativ kann der Schaltungsträger mit der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur auch eine vollständige Drehbewegung der Koppelvorrichtung und des drehbeweglichen Körpers um 360° abdecken. Hierbei kann jedoch eine effektive Fläche der mindestens einen Empfangsstruktur in Abhängigkeit des Drehwinkels verändert werden, um den Einfluss der Luftspaltdifferenz durch die Koppelvorrichtung messbar zu machen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens zwei Empfangsspulen aufweisen. 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.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann die mindestens eine Empfangsstruktur genau zwei Empfangsspulen aufweisen. Hierbei kann eine erste Empfangsspule einen Sinuskanal ausbilden, und eine zweite Empfangsspule bildet 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 elektrischen Winkelwert zu ermitteln, auf welchem ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers bzw. der Koppelvorrichtung 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 elektrischen Winkelwert zu ermitteln, auf welchem der aktuelle mechanische Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers bzw. der Koppelvorrichtung basiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der induktiven Sensoranordnung kann die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit weiter ausgeführt sein, einen aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers basierend auf dem bestimmten elektrischen Winkelwert der induzierten mindestens zwei Messsignale und der Information über die sich ändernden Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale zu ermitteln.
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. Dadurch kann ein Einfluss eines sich ändernden Verstärkungsfaktors auf die Amplituden der mindestens zwei Messsignale kompensiert werden. Eine solche automatische Verstärkungsregelung kann beispielsweise angewandt werden, um einen bestmöglichen Signal-Rausch-Abstand am Ausgang der mindestens einen Auswerte- und Steuereinheit zu erzielen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann zur Ermittlung des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers ein Vektor aus den induzierten Messsignalen oder aus Signalen gebildet werden, welche aus den induzierten Messsignalen transformiert werden. Hierbei kann eine auf einer Quadratsumme basierende Größe oder eine Länge des Vektors und ein Winkel des Vektors ermittelt und ausgewertet werden. So kann beispielsweise über geeignete Verfahren, beispielsweise unter Verwendung einer Lookup-Tabelle, aus der Vektorlänge oder der Quadratsumme die elektrische Signalperiode in der mechanischen Umdrehung berechnet und der elektrische Winkelwert entsprechend zu einem mechanischen Drehwinkel korrigiert werden. In einer möglichen Ausführungsform kann nach einer geeigneten Filterung eine Überwachung der Ableitung der Vektorlänge oder der Quadratsumme nach dem elektrischen Winkel stattfinden. Bei Überschreitung eines Schwellwerts über einen gewissen Winkelbereich hinweg, lässt sich hierdurch ein Nichteindeutigkeitsbereich identifizieren. Anschließend kann eine Korrektur durchgeführt werden. Vorzugsweise kann der berechnete mechanische Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers laufend durch Vergleich mit der gemessenen Modulation der Vektorlänge verglichen werden. Bei der Verwendung der Quadratsumme zur Ermittlung des aktuellen mechanischen Drehwinkel kann auf die Durchführung einer mathematischen Wurzelfunktion zur Berechnung der Vektorlänge verzichtet werden. Dies ermöglicht beispielsweise bei einer Regelung einer Rotorlage schnellere Algorithmen für die Bestimmung des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers hier einer Rotorwelle.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Schaltungsträger der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung aus 1.
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Koppelvorrichtung der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung aus 1.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer aus Messsignalen der erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung aus 1 gebildeten Lissajous-Figur.

Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen induktiven Sensoranordnung 1 zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers 3 eine an dem drehbeweglichen Körper 3 angeordnete Koppelvorrichtung 20, welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente 22, 22A, 22B, 22C, 22D und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, und mindestens eine Messwerterfassungsvorrichtung 10, welche einen Schaltungsträger 12 mit mindestens einer Erregerstruktur 14 und mindestens einer Empfangsstruktur 16 umfasst. Während des Betriebs ist ein periodisches Wechselsignal WS in die mindestens eine Erregerstruktur 14 einkoppelbar. Die Koppelvorrichtung 20 beeinflusst eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur 14 und der mindestens einen Empfangsstruktur 16 und bewirkt über die Drehbewegung der elektrisch leitenden Koppelvorrichtung 20 und des drehbeweglichen Körpers 3 eine auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basierende gezielte Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen MS1, MS2. Mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 18 wertet die in der mindestens einen Empfangsstruktur 16 induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 aus und ermittelt unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche auf der gezielten Amplitudenänderung der induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 basiert, den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3.
Wie aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, ist die Koppelvorrichtung 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 als Rotor mit einer Periodizität von 4 ausgeführt und umfasst vier als Flügel ausgeführte elektrisch leitende Koppelelemente 22, 22A, 22B, 22C, 22D. Die als Flügel ausgeführten elektrisch leitenden Koppelelemente 22, 22A, 22B, 22C, 22D befinden sich an unterschiedlichen axialen Positionen, mit denen sich in Abhängigkeit des mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körper 3 bzw. des mechanischen Drehwinkels der Koppelvorrichtung 20 ein unterschiedlicher Luftspalt zum Schaltungsträger 12 einstellt. Die als Flügel ausgeführten elektrisch leitenden Koppelelemente 22, 22A, 22B, 22C, 22D sind vorteilhaft mit einem Kurzschlussring 24 verbunden. Zudem umfasst die Koppelvorrichtung 20 in vorteilhafter Weise eine Aussparung 26 zum Anbringen an dem drehbeweglichen Körper 3. Wie aus 1 und 3 weiter ersichtlich ist, weist ein erstes Koppelelement 22A einen ersten Abstand A1 zu der mindestens einen Empfangsstruktur 16 auf. Ein zweites Koppelelement 22B weist einen zweiten Abstand A2 zu der mindestens einen Empfangsstruktur 16 auf, welcher größer als der erste Abstand A1 ist. Ein drittes Koppelelement 22C weist einen dritten Abstand A3 zu der mindestens einen Empfangsstruktur 16 auf, welcher größer als der zweite Abstand A2 ist. Ein viertes Koppelelement 22D weist einen vierten Abstand A4 zu der mindestens einen Empfangsstruktur 16 auf, welcher größer als der dritte Abstand A3 ist. Somit geben die vier verschiedenen Abstände A1, A2, A3, A4 vier Luftspaltänderungen vor, wobei das erste Koppelelement 22A den kleinsten Abstand A1 und das vierte Koppelelement 22D den größten Abstand A4 zum Schaltungsträger 12 aufweist.
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der drehbewegliche Körper 3 als Welle 3A ausgeführt. Der Schaltungsträger 12 ist als mehrlagige Leiterplatte 12A ausgeführt. Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, deckt im dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltungsträger 12 mit einer Erregerstruktur 14, welche eine Erregerspule 14A aufweist, und einer Empfangsstruktur 16, welche zwei Empfangsspulen 16A, 16B aufweist, nur ein vorgegebenes Segment der Drehbewegung der Koppelvorrichtung 20 und des drehbeweglichen Körpers 3 ab. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weisen die beiden Empfangsspulen 16A, 16B jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur auf, deren Geometrie derart gestaltet ist, dass die induzierten mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 als näherungsweise trigonometrische Signale auftreten.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 bildet eine erste Empfangsspule 16A einen Sinuskanal aus und eine zweite Empfangsspule 16B bildet einen Cosinuskanal aus. Die beiden Empfangsspulen 16A, 16B weisen jeweils eine Periodizität von 1 auf. Die Auswerte- und Steuereinheit 18, welche als ASIC-Baustein 18A ausführt ist, ermittelt aus einem ersten Messsignal MS1 des Sinuskanals und aus einem zweiten Messsignal MS2 des Cosinuskanals durch eine Arcustangensfunktion einen korrespondierenden elektrischen Winkelwert, auf welchem ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3 basiert.
Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung weist die mindestens eine Empfangsstruktur 16 mindestens drei Empfangsspulen auf, welche ein Mehrphasensystem ausbilden. Die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit 18 führt vorzugsweise mittels einer Clarke-Transformation oder einer Park-Transformation eine geeignete Phasentransformation von Messsignalen des Mehrphasensystems durch und ermittelt mittels einer Arcustangensfunktion einen korrespondierenden elektrischen Winkelwert, auf welchem ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3 basiert.
Die Auswerte- und Steuereinheit 18 ermittelt einen aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3 basierend auf dem bestimmten elektrischen Winkelwert der induzierten zwei Messsignale MS1, MS2 und der Information über die sich ändernden Amplituden der induzierten zwei Messsignale MS1, MS2.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der induktiven Sensoranordnung 1 führt die Auswerte- und Steuereinheit 18 eine automatische Verstärkungsregelung aus, so dass ein aktueller Verstärkungsfaktor bei der Ermittlung des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers 3 berücksichtigt wird.
Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers 3, welches durch die oben beschriebene induktive Sensoranordnung 1 ausführbar ist, einen Schritt S100, in welchem eine eine induktive Kopplung zwischen mindestens einer Erregerstruktur 14 und mindestens einer Empfangsstruktur 16 herstellende Koppelvorrichtung 20, welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente 22 und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, mit dem beweglichen Körper 3 drehfest verbunden wird. In einem Schritt S110 wird während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal WS in die mindestens eine Erregerstruktur 14 eingekoppelt und in der mindestens einen Empfangsstruktur 16 werden mindestens zwei verschiedene Messsignale MS1, MS2 induziert und im Schritt S120 als näherungsweise trigonometrische Signale zur Verfügung gestellt. Basierend auf den mindestens zwei Messsignalen MS1, MS2 und einer auf die Amplituden der mindestens zwei Messsignale MS1, MS2 harmonisch modulierten weiteren Information, welche auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basiert, wird im Schritt S130 ein aktueller mechanischer Drehwinkel des beweglichen Körpers 3 ermittelt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 wird im Schritt S130 zur Ermittlung des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers 3 ein Vektor VA, VB aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 oder aus Signalen gebildet, welche aus den induzierten Messsignalen MS1, MS2 transformiert werden. Hierbei wird eine auf einer Quadratsumme basierende Größe oder eine Länge des Vektors VA, VB und ein Winkel a, b des Vektors VA, VB ermittelt und ausgewertet.
5 zeigt eine Lissajous-Figur, welche aus dem ersten Messsignal MS1 Sinuskanals (sin) und dem zweiten Messsignal MS2 des Cosinuskanals (cos) in der komplexen Ebene über eine komplette mechanische Umdrehung des drehbeweglichen Körpers 3 gebildet ist. Eine Bewegung der Koppelvorrichtung 20 im Gegenuhrzeigersinn über eine komplette Umdrehung des drehbeweglichen Körper 2 führt zu den demodulierten Messsignalen MS1, MS2. In der komplexen Ebene in 5 beschreiben die Messsignale MS1, MS2 einen Vektor VA, VB der sich je nach der Drehstellung der Koppelvorrichtung 20 ausgehend von einem Nullpunkt V0 entlang der gezeichneten Lissajous-Figur bewegt. Hierbei wird die Vektorlänge durch den Luftspalt bzw. die Abstände A1, A2, A3, A4 der elektrisch leitenden Koppelelemente zur Empfangsstruktur 16 beeinflusst. Exemplarisch sind in 5 ein kürzerer erster Vektor VA mit einem ersten Winkel a und ein längerer zweiter Vektor VB mit einem zweiten Winkel b dargestellt. Die Nullposition V0 des elektrischen Winkels der beiden Vektoren VA, VB ist willkürlich gewählt und von einer Referenzposition der Koppelvorrichtung 20 abhängig. Wie aus 5 ersichtlich ist, ergibt sich bei mathematisch positiver Drehrichtung DR der Koppelvorrichtung 20 im vorliegenden Beispiel als erstes eine spiralförmige Verringerung der Vektorlänge bis zum Eintritt in den Bereich eine Nichteindeutigkeit NEB und anschließendem Austritt in den Bereich einer maximalen Vektorlänge. Am Beispiel der beiden Vektoren VA, VB mit kleiner und großer Vektorlänge und den dazugehörigen elektrischen Winkeln a und b lässt sich gut erkennen, wie der mechanische Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3 über die Länge der Vektoren VA, VB unterschieden werden kann. Aus den Messwerten MS1, MS2 des Sinuskanals und des Cosinuskanals werden die Vektorlängen der Vektoren VA, VB und mithilfe der Arcustangensfunktion die elektrischen Winkel a, b berechnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird mittels einer Lookup-Tabelle wird aus der Vektorlänge des korrespondierenden Vektors VA, VB die elektrische Signalperiode in der mechanischen Umdrehung des drehbeweglichen Körpers 3 berechnet, und der elektrische Winkel entsprechend zum aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers 3 korrigiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020114861 A1 [0003]

Claims

Induktive Sensoranordnung (1) zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers (3), mit einer an dem drehbeweglichen Körper (3) angeordneten Koppelvorrichtung (20), welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente (22) und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, und mindestens einer Messwerterfassungsvorrichtung (10), welche einen Schaltungsträger (12) mit mindestens einer Erregerstruktur (14) und mindestens einer Empfangsstruktur (16) umfasst, wobei während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal (WS) in die mindestens eine Erregerstruktur (14) einkoppelbar ist, wobei die Koppelvorrichtung (20) eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur (14) und der mindestens einen Empfangsstruktur (16) beeinflusst, und ausgeführt ist, über die Drehbewegung der elektrisch leitenden Koppelvorrichtung (20) und des drehbeweglichen Körpers (3) eine auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basierende gezielte Amplitudenänderung von mindestens zwei induzierten Messsignalen (MS1, MS2) zu bewirken, wobei mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (18) ausgeführt ist, die in der mindestens einen Empfangsstruktur (16) induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) auszuwerten und unter Berücksichtigung einer weiteren Information, welche auf der gezielten Amplitudenänderung der induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) basiert, den aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers (3) zu ermitteln.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei elektrisch leitenden Koppelelemente (22) der Koppelvorrichtung (20) verschiedene Abstände (A1, A2, A3, A4) zu der mindestens einen Empfangsstruktur (16) aufweisen, welche die Luftspaltänderung vorgeben.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (12) mit der mindestens einen Erregerstruktur (14) und der mindestens einen Empfangsstruktur (16) nur ein vorgegebenes Segment der Drehbewegung der Koppelvorrichtung (20) und des drehbeweglichen Körpers (3) abdeckt.
Induktive Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangsstruktur (16) mindestens zwei Empfangsspulen (16A, 16B) aufweist.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Empfangsspulen (16A, 16B) jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweisen, deren Geometrie derart gestaltet ist, dass die induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) als näherungsweise trigonometrische Signale auftreten.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangsstruktur (16) zwei Empfangsspulen (16A, 16B) aufweist, wobei eine erste Empfangsspule (16A) einen Sinuskanal ausbildet und eine zweite Empfangsspule (16B) einen Cosinuskanal ausbildet, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (18) ausgeführt ist, aus einem ersten Messsignal (MS1) des Sinuskanals und aus einem zweiten Messsignal (MS2) des Cosinuskanals durch eine Arcustangensfunktion einen korrespondierenden elektrischen Winkelwert zu ermitteln, auf welchem ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers (3) basiert.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Empfangsstruktur (16) mindestens drei Empfangsspulen aufweist, welche ein Mehrphasensystem ausbilden, wobei die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (18) ausgeführt ist, eine geeignete Phasentransformation von Messsignalen des Mehrphasensystems durchzuführen und mittels einer Arcustangensfunktion einen korrespondierenden elektrischen Winkelwert zu ermitteln, auf welchem ein aktueller mechanischer Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers (3) basiert.
Induktive Sensoranordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit (18) weiter ausgeführt ist, einen aktuellen mechanischen Drehwinkel des drehbeweglichen Körpers (3) basierend auf dem bestimmten elektrischen Winkelwert der induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) und der Information über die sich ändernden Amplituden der induzierten mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) zu ermitteln.
Induktive Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (18) weiter ausgeführt ist, bei einer automatischen Verstärkungsregelung einen aktuellen Verstärkungsfaktor bei der Ermittlung des aktuellen mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers (3) zu berücksichtigen.
Verfahren (100) zur Ermittlung eines aktuellen mechanischen Drehwinkels eines drehbeweglichen Körpers (3), welches durch eine induktive Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführbar ist, wobei eine eine induktive Kopplung zwischen mindestens einer Erregerstruktur (14) und mindestens einer Empfangsstruktur (16) herstellende Koppelvorrichtung (20), welche mindestens zwei elektrisch leitende Koppelelemente (22) und eine Periodizität größer als „1“ aufweist, mit dem beweglichen Körper (3) drehfest verbunden wird, wobei während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal (WS) in die mindestens eine Erregerstruktur (14) eingekoppelt wird und in der mindestens einen Empfangsstruktur (16) mindestens zwei verschiedene Messsignale (MS1, MS2) induziert und als näherungsweise trigonometrische Signale zur Verfügung gestellt werden, und wobei basierend auf den mindestens zwei Messsignalen (MS1, MS2) und einer auf die Amplituden der mindestens zwei Messsignale (MS1, MS2) harmonisch modulierten weiteren Information, welche auf einer vorgebbaren Luftspaltänderung basiert, ein aktueller mechanischer Drehwinkel des beweglichen Körpers (3) ermittelt wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des mechanischen Drehwinkels des drehbeweglichen Körpers (3) ein Vektor (VA, VB) aus den induzierten Messsignalen (MS1, MS2) oder aus Signalen gebildet wird, welche aus den induzierten Messsignalen (MS1, MS2) transformiert werden.
Verfahren (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf einer Quadratsumme basierende Größe oder eine Länge des Vektors (VA, VB) und ein Winkel (a, b) des Vektors (VA, VB) ermittelt und ausgewertet werden.