DE112019004996T5

DE112019004996T5 - Winkeldrehungssensor

Info

Publication number: DE112019004996T5
Application number: DE112019004996.8T
Authority: DE
Inventors: Kevin Mark Smith jun.
Original assignee: Microsemi Corp
Current assignee: Microsemi Corp
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2020072117A1; CN112789490A; CN112789490B; US10837847B2; US20200109996A1

Abstract

Ein Winkeldrehungssensorsystem, bestehend aus: einem ersten Ziel mit einem Element, das sich radial von einer Längsachse des ersten Ziels erstreckt und sich um diese dreht; ein zweites Ziel mit einem Element, das sich radial von einer Längsachse des zweiten Ziels erstreckt und sich um diese dreht; eine erste Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, die so ausgelegt ist, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; eine zweite Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, die so ausgelegt ist, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; und eine Ausgabe, die mit jeder der ersten und zweiten Empfangsspulen gekoppelt ist, wobei jedes der Elemente so geformt und bemessen ist, dass es im Allgemeinen mit einer Form und Größe eines Paares von Schleifen übereinstimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet induktiver Sensoren und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Winkeldrehung zwischen zwei Zielen.
Elektrisch angetriebene Lenkradsysteme wurden entwickelt, um die strengeren Kraftstoffverbrauchsstandards zu erfüllen. Dies wird erreicht, indem riemengetriebene Hydraulikpumpen, die konstant laufen, egal ob Unterstützung benötigt wird oder nicht, durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) ersetzt werden. Der Elektromotor wird nur dann aktiviert, wenn eine Lenkunterstützung benötigt wird, wodurch Energie gespart wird. Ein weiterer großer Vorteil ist der Verzicht auf ein riemengetriebenes Motorzusatzgerät und mehrere Hochdruckhydraulikschläuche zwischen der motorseitigen Hydraulikpumpe und dem fahrgestellseitigen Lenkgetriebe. Dies vereinfacht die Herstellung und Wartung erheblich. Durch die Integration der elektronischen Stabilitätssteuerung können elektrische Servolenksysteme sofort das Niveau der Drehmomentunterstützung variieren, um den Fahrer bei Korrekturmanövern zu unterstützen. Infolgedessen steigt die Nachfrage nach kostengünstigen und zuverlässigen Lenkradsensoriksystemen rapide an.
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm auf hoher Ebene eines elektrisch angetriebenen Lenkradsystems 10, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, wobei das elektrisch angetriebene Lenkradsystem 10 umfasst: ein Lenkrad 20; einen Lenkwinkelpositionssensor 30; einen Drehmomentsensor 40; einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 50; eine Elektroniksteuereinheit (ECU) 60; einen Motor 70, in einer Ausführungsform umfassend einen BLDC-Motor; ein Untersetzungsgetriebe 80; und eine Lenksäule 90. Der Lenkwinkelpositionssensor 30 ist eingerichtet, um die Drehung des Lenkrads 20 zu verfolgen, und die ECU 60 ist eingerichtet, um die Winkelposition des Lenkrads 20 als Reaktion auf die Verfolgung des Lenkwinkelpositionssensors 30 zu bestimmen. Die ECU 60 ist ferner dazu eingerichtet, im Zusammenwirken mit dem Drehmomentsensor 40 das auf das Lenkrad 20 aufgebrachte Drehmoment zu bestimmen. Als Reaktion auf die bestimmte Winkelposition und das aufgebrachte Drehmoment ist die ECU 60 eingerichtet, um ein unterstützendes Drehmoment über den Motor 70 auf das Untersetzungsgetriebe 80 zur Abgabe an die Lenksäule 90 aufzubringen. Das aufgebrachte unterstützende Drehmoment reagiert ferner auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 50 erfasst wird.
Wie veranschaulicht, beruht das System 10 hauptsächlich auf dem Lenkwinkelpositionssensor 30 und dem Drehmomentsensor 40. Das am 1. Juni, 2010 an Hoeller et al. erteilte US-Patent Nr. 7,726,208 , dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist, ist auf einen kombinierten Lenk- und Drehmomentsensor ausgerichtet. Leider erfordert der Aufbau von Hoeller mehrere Sensorschaltlogiken, die somit separate integrierte Schaltungen für das Lenkwinkelsensorelement und das Lenkdrehmomentsensorelement erfordern, was unerwünscht ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der Verfahren und Anordnungen zur Winkeldrehungsmessung des Stands der Technik zu überwinden. Dies wird in der vorliegenden Offenbarung durch ein Winkeldrehungssensorsystem bereitgestellt, umfassend: ein erstes Ziel, wobei das erste Ziel mindestens ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des ersten Ziels erstreckt, wobei das erste Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; ein zweites Ziel, wobei das zweite Ziel mindestens ein Zielelement umfasst, das sich radial von der Längsachse des zweiten Ziels erstreckt, wobei das zweite Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; eine Sendespule; und eine erste Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, wobei die Schleifen der ersten Empfangsspule so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; eine zweite Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, wobei die Schleifen der ersten Empfangsspule so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen, wobei jedes der Zielelemente des ersten Ziels und des zweiten Ziels so geformt und bemessen ist, dass es im Allgemeinen mit einer Form und Größe eines Paares benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen übereinstimmt.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Zeichnungen und der Beschreibung.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird nun lediglich exemplarisch auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen, in denen gleichartige Ziffern durchgängig entsprechende Elemente oder Abschnitte bezeichnen.
Unter konkreter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail wird betont, dass die gezeigten Details exemplarisch und nur zur veranschaulichenden Erörterung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und in der Absicht präsentiert werden, die als nützlichste und am leichtesten verständliche Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der Erfindung bereitzustellen. In diesem Zusammenhang wird nicht versucht, strukturelle Details der Erfindung detaillierter zu zeigen, als es für ein grundlegendes Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei aus der Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen für den Fachmann ersichtlich wird, wie die verschiedenen Formen der Erfindung in der Praxis umgesetzt werden können. In den beigefügten Zeichnungen:

veranschaulicht 1 ein Blockdiagramm auf hoher Ebene eines elektrischen Servolenkradsystems, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist;
veranschaulichen 2A - 2J verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform eines Winkeldrehungserfassungssystems;
veranschaulichen 3A - 3C verschiedene Ausführungsformen von unterschiedlichen Anzahlen von Schleifenpaaren und entsprechenden Zielelementen;
veranschaulichen 4A - 4C verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsform eines Winkeldrehungserfassungssystems; und
veranschaulicht 5 ein Flussdiagramm auf hoher Ebene eines Winkeldrehungserfassungsverfahrens gemäß bestimmten Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevor mindestens eine Ausführungsform der Erfindung im Detail erläutert wird, sei klargestellt, dass sich die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der Komponenten beschränkt, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung ist auf andere Ausführungsformen anwendbar oder darauf, dass sie auf verschiedene Weise umgesetzt oder ausgeführt wird. Es sei weiterhin klargestellt, dass die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie der Beschreibung dient und nicht als einschränkend anzusehen ist.
2A - 2H veranschaulichen verschiedene schematische Ansichten auf hoher Ebene eines Winkeldrehungserfassungssystems 100, wobei 2A - 2H zusammen beschrieben werden. Das Winkeldrehungserfassungssystem 100 umfasst: ein erstes Ziel 110; ein zweites Ziel 120; und eine Leiterplatte 130. Wie in 2B veranschaulicht, weist jedes des ersten und zweiten Ziels 110 und 120 eine Längsachse 135 auf und umfasst: eine Basis 140 und eines oder mehrere Zielelemente 150, die sich radial von der Basis 140 weg erstrecken. Erste und zweite Ziele 110 und 120 sind in 2B jeweils als ein Zielelement 150 umfassend dargestellt, um der Schaltungsanordnung der Leiterplatte 130 zu entsprechen, wobei dies in keiner Weise einschränkend sein soll. In einer Ausführungsform, in der erste und zweite Ziele 110 und 120 jeweils eine Vielzahl von Zielelementen 150 umfassen, wie nachstehend beschrieben, sind Zielelemente 150 des ersten Ziels 110 radial um die Längsachse 135 davon angeordnet. In ähnlicher Weise sind die Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120 radial um die Längsachse 135 davon angeordnet. Erste und zweite Ziele 110, 120 drehen sich somit um die gemeinsame Längsachse 135. In einer Ausführungsform ist die Basis 140 jedes des ersten und des zweiten Ziels 110 und 120 im Allgemeinen ringförmig. In einer anderen Ausführungsform ist jedes Zielelement 150 des ersten und zweiten Ziels 110 und 120 im Allgemeinen als eine Teilscheibe geformt. In der veranschaulichten Ausführungsform von 2B ist das Zielelement 150 als 1/3 einer Scheibe geformt, die sich von der Längsachse 135 erstreckt. In einer Ausführungsform, in der eine Vielzahl von Zielelementen 150 bereitgestellt ist, weist jedes der Zielelemente 150 von jedem des ersten und zweiten Ziels 110, 120 im Allgemeinen identische Abmessungen auf und der radiale Abstand zwischen vertikalen Mittellinien benachbarter Zielelemente 150 ist im Allgemeinen überall gleich. Die Form jedes der Zielelemente 150 des ersten Ziels 110 ist im Allgemeinen die gleiche wie die Form der Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120.
Wie in 2C veranschaulicht, umfasst die Leiterplatte 130: eine Sendespule 160, die ein erstes Ende 161 und ein zweites Ende 162 gegenüber dem ersten Ende 161 aufweist; eine erste Empfangsspule 170, die ein erstes Ende 171 und ein zweites Ende 172 gegenüber dem ersten Ende 171 aufweist; eine zweite Empfangsspule 180, die ein erstes Ende 181 und ein zweites Ende 182 gegenüber dem ersten Ende 181 aufweist; und eine Steuerschaltlogik 190. Jede der ersten und zweiten Empfangsspulen 170 und 180 ist magnetisch mit der Sendespule 160 gekoppelt. Jede der Sendespule 160, Empfangsspule 170 und Empfangsspule 180 ist mit der Steuerschaltung 190 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist jedes des ersten Endes 161 der Sendespule 160, des zweiten Endes 162 der Sendespule 160, des ersten Endes 171 der ersten Empfangsspule 170 und des ersten Endes 181 der zweiten Empfangsspule 180 mit einem jeweiligen Anschluss der Steuerschaltung 190 gekoppelt. Die Steuerschaltung 190 ist ferner mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) gekoppelt. Jedes des zweiten Endes 172 der ersten Empfangsspule 170 und des zweiten Endes 182 der zweiten Empfangsspule 180 ist mit einem gemeinsamen Potential gekoppelt. In einer Ausführungsform sind die Empfangsspulen 160 und 170 um etwa 90 Grad elektrisch versetzt.
Wie in 2D veranschaulicht, umfassen auf einer vorbestimmten Schicht 132 der Leiterplatte 130 die erste Empfangsspule 170 und die zweite Empfangsspule 180 jeweils eine Vielzahl von Schleifen 190, wobei benachbarte Schleifen als punktierte bzw. gestrichelte Linien dargestellt sind. Insbesondere ist jede der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 auf der Schicht 132 der Leiterplatte 130 in einer Vielzahl von Segmenten 200 ausgelegt und jede Schleife 195 wird durch einen Abschnitt von zwei benachbarten Segmenten 200 gebildet. Die Segmente 200 jeder der ersten Empfangsspule 170 und der zweiten Empfangsspule 180 sind radial um einen Mittelabschnitt 134 der Schicht 132 angeordnet. Wie in 2F veranschaulicht, umfasst jedes Segment 200: einen äußeren Abschnitt 210, der ein erstes Ende 211 und ein zweites Ende 212 gegenüber dem ersten Ende 211 aufweist; einen Zwischenabschnitt 220, der ein erstes Ende 221 und ein zweites Ende 222 gegenüber dem ersten Ende 221 aufweist; und einen inneren Abschnitt 230, der ein erstes Ende 231 und ein zweites Ende 232 gegenüber dem ersten Ende 231 aufweist.
Der äußere Abschnitt 210 erstreckt sich vom ersten Ende 221 des Zwischenabschnitts 220 am ersten Ende 211 davon in einer ersten allgemeinen Richtung zum zweiten Ende 212 davon. Der innere Abschnitt 230 erstreckt sich vom zweiten Ende 222 des Zwischenabschnitts 220 am ersten Ende 231 davon in einer zweiten allgemeinen Richtung zum zweiten Ende 232 davon. Die zweite allgemeine Richtung ist der ersten allgemeinen Richtung entgegengesetzt. In einer Ausführungsform ist, wie veranschaulicht, der äußere Abschnitt 210 konkav gekrümmt, wenn er vom Zwischenabschnitt 220 aus betrachtet wird, und der innere Abschnitt 230 ist konvex gekrümmt, wenn er vom Zwischenabschnitt 220 aus betrachtet wird. In einer anderen Ausführungsform ist eine Achse 240 definiert, wobei die Achse 240 orthogonal zum Zwischenabschnitt 220 verläuft und auf das erste Ende 221 trifft. Zusätzlich ist eine Achse 250 definiert, wobei die Achse 250 orthogonal zum Zwischenabschnitt 220 verläuft und auf das zweite Ende 222 trifft. Der äußere Abschnitt 210 erstreckt sich von der Achse 240 weg in Richtung der Achse 250, und der innere Abschnitt 230 erstreckt sich von den Achsen 240 und 250 weg.
Das zweite Ende 232 ist über eine Durchkontaktierung und eine radiale Spur auf einer zusätzlichen Schicht mit einem weiteren Segment 200 der jeweiligen einen der ersten Empfangsspule 170 und der zweiten Empfangsspule 180 verbunden. Insbesondere ist die erste Empfangsspule 170 auf der Schicht 132 so ausgelegt, dass Strom, der durch benachbarte Segmente 200 fließt, in entgegengesetzte Richtungen fließt, d. h. wenn ein Strom II durch ein erstes Segment 200 im Uhrzeigersinn um den Mittelabschnitt 134 fließt, dann fließt Strom II durch ein benachbartes Segment 200 gegen den Uhrzeigersinn um den Mittelabschnitt 134. In ähnlicher Weise ist die zweite Empfangsspule 180 auf der Schicht 132 so ausgelegt, dass Strom, der durch benachbarte Segmente 200 fließt, in entgegengesetzte Richtungen fließt. In einer Ausführungsform ist jede der ersten und zweiten Empfangsspulen 170, 180 mit mehreren Segmenten 200 in einer ersten Drehrichtung (als im Uhrzeigersinn dargestellt) ausgelegt. Wenn eine volle 360°-Drehung erreicht ist, ist eine Phasenumkehrverbindung vorgesehen und die Segmente 200 gehen dann in eine zweite Drehrichtung entgegen der ersten Drehrichtung über, bis erneut eine volle 360°-Drehung erreicht ist. Der Einfachheit halber sind die Verbindungen zum gemeinsamen Potential und Verbindungen auf anderen Schichten nicht dargestellt.
Wie in 2D und 2G veranschaulicht, sind die Segmente 200 der ersten Empfangsspule 170 so ausgelegt, dass das zweite Ende 212 des äußeren Abschnitts 210 jedes Segments 200 neben dem ersten Ende 221 des Zwischenabschnitts 220 eines benachbarten Segments 200 der ersten Empfangsspule 170 angeordnet ist. Das zweite Ende 232 des inneren Abschnitts 230 jedes Segments 200 ist neben dem zweiten Ende 222 des Zwischenabschnitts 220 des benachbarten Segments 200 angeordnet. Aufgrund der entgegengesetzten Stromflüsse der benachbarten Segmente 200 ist zwischen den benachbarten Segmenten 195 eine Schleife 195 ausgebildet. Insbesondere wird jede Schleife 195 ausgebildet durch: den äußeren Abschnitt 210 und Zwischenabschnitt 220 eines ersten Segments 200; und den inneren Abschnitt 230 und Zwischenabschnitt 220 eines benachbarten Segments 200. In ähnlicher Weise, wie in 2E veranschaulicht, sind die Segmente 200 der zweiten Empfangsspule 180 so ausgelegt, dass das zweite Ende 212 des äußeren Abschnitts 210 jedes Segments 200 neben dem ersten Ende 221 des Zwischenabschnitts eines Segments 200 der entgegengesetzten Phase angeordnet ist und das zweite Ende 232 des inneren Abschnitts 230 jedes Segments 200 neben dem zweiten Ende 222 des Zwischenabschnitts 220 eines benachbarten Segments 200 der zweiten Empfangsspule 180 angeordnet ist. Jede Schleife 195 der zweiten Empfangsspule 180 ist von einer benachbarten Schleife 195 der ersten Empfangsspule 170 um einen vorbestimmten Winkel versetzt. In der veranschaulichten Ausführungsform, in der jede der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 jeweils 6 Schleifen aufweist, beträgt der Versatzwinkel vorzugsweise etwa 30 Grad, d. h. der Versatz ist gleich ½ des Umfangswinkels der Schleife 195.
Die Gesamtzahl der Schleifen 195 jeder der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 ist gerade, so dass sich die Summe der Magnetfelder innerhalb jeder der ersten und zweiten Empfangsspulen 170, 180 aufgrund der entgegengesetzten Polaritäten der vorstehend beschriebenen benachbarten Schleifen 195 aufhebt. Dadurch ist die Spannung am Ausgang jeder der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 jeweils null.
Für jede der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 stimmen die Form und Größe jedes benachbarten Paares von Schleifen 195 im Allgemeinen mit der Form und Größe jedes Zielelements 150 der Ziele 110 und 120 überein, d. h. jede Schleife 195 stimmt im Allgemeinen mit der Form und Größe von 1/2 des Zielelements 150 überein. Wie vorstehend in Bezug auf Zielelemente 150 beschrieben, ist in einer Ausführungsform jedes benachbarte Paar von Schleifen 195 im Allgemeinen zusammen als ein Abschnitt einer Scheibe geformt. In der veranschaulichten Ausführungsform von 2D - 2E bilden jeweils zwei benachbarte Schleifen 195 eine 1/3-Scheibenform. Daher weisen das Zielelement 150 des Zielelements 110 und das Zielelement 150 des Ziels 120 jeweils die gleiche Größe und Form jedes Schleifenpaars 195 in jeder der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 auf.
Im Betrieb stellt die Steuerschaltlogik 190 ein HF-Signal an die Sendespule 160 bereit, die ein jeweiliges Magnetfeld in jeder der ersten und zweiten Empfangsspulen 170 und 180 erzeugt. Wie vorstehend beschrieben, ist die Anzahl der Schleifen 195 in jeder der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 gerade, weshalb sich die Magnetfelder der Schleifen 195 gegenseitig aufheben und die Spannung über jeder der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 null ist.
Wenn das erste Ziel 110 der Leiterplatte 130 zugewandt ist und das Zielelement 150 des ersten Ziels 110 ein Paar benachbarter Schleifen 195 bedeckt, werden die benachbarten Paare von Schleifen 195 auf beiden Seiten des bedeckten Paares von Schleifen 195 unbedeckt gelassen. Da jedes Zielelement 150 die gleiche Form und Größe wie ein Paar benachbarter Schleifen 195 aufweist, ergibt sich keine Wirkung auf die Magnetfeldaufhebungen der Schleifen 195. Insbesondere für den Fall, dass ein Zielelement 150 ein Paar benachbarter Schleifen 195 vollständig bedeckt, werden die durch das Zielelement 150 verursachten Änderungen der Magnetfelder über beide Schleifen 195 gleichmäßig sein.
In dem Fall, dass sich das Zielelement 150 nicht genau über zwei benachbarten Schleifen 195 befindet, bedeckt das Zielelement 150 mindestens einen Abschnitt von drei Schleifen 195, einen Abschnitt der ersten Schleife 195, die Gesamtheit einer zweiten Schleife 195 und einen Abschnitt einer dritten Schleife 195, wobei die zweite Schleife 195 zwischen der ersten Schleife 195 und der dritten Schleife 195 angeordnet ist. In einem solchen Fall ist die Wirkung des Zielelements 150 auf die Magnetfelder der drei Schleifen 195 nicht die gleiche. Die Magnetfelder der ersten und dritten Schleife 195 sind jedoch der Polarität des Magnetfelds der zweiten Schleife 195 entgegengesetzt. Außerdem ist die Fläche des Abschnitts der ersten Schleife 195, der nicht bedeckt ist, die gleiche wie die Fläche des Abschnitts der dritten Schleife 195, der bedeckt ist. Infolgedessen ist die Summe der Wirkungen auf die Magnetfelder der ersten und dritten Schleife 195 gleich der Wirkung auf das Magnetfeld der zweiten Schleife 195, deren Polarität derjenigen der ersten und dritten Schleife 195 entgegengesetzt ist. Infolgedessen bleibt die Spannung über jeder der ersten Empfangsspule 170 und der zweiten Empfangsspule 180 null.
Wie in 2A veranschaulicht, befindet sich das erste Ziel 110 zwischen dem zweiten Ziel 120 und der Leiterplatte 130. Anfänglich sind, wie in 2H veranschaulicht, das erste und das zweite Ziel 110 und 120 so eingerichtet, dass die Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120 mit den Zielelementen 150 des ersten Ziels 110 ausgerichtet sind. Somit werden Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120 nicht gesehen, wenn sie von Schleifen 195 betrachtet werden, die von Zielelementen 150 des ersten Ziels 110 bedeckt sind. Die Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120 werden durch die Zielelemente 150 des ersten Ziels 110 abgeschirmt und Wirbelströme werden nicht innerhalb der Zielelemente 150 des zweiten Ziels 120 gebildet. 2H und 21 veranschaulichen jeweils nur die erste Empfangsspule 170, jedoch gilt die gleiche Wirkung für die zweite Empfangsspule 180.
Wenn sowohl das erste als auch das zweite Ziel 110 und 120 um ihre jeweiligen Längsachsen 130 um den gleichen Drehwinkel gedreht werden, werden sich die Wirkungen auf die unterschiedlichen Magnetfelder, wie vorstehend beschrieben, nicht ändern. Wenn das erste Ziel 110 um einen ersten Drehwinkel um seine jeweilige Längsachse 135 gedreht wird und das zweite Ziel 120 um einen zweiten Drehwinkel, der sich von dem ersten Drehwinkel unterscheidet, um seine jeweilige Längsachse 135 gedreht wird, werden die Zielelemente 150 des Ziels 120 nicht mehr durch die Zielelemente 150 des Ziels 110 abgeschirmt, wie in 21 dargestellt. Infolgedessen wirken sich Zielelemente 150 von Ziel 120 auf die Magnetfelder mindestens einer Schleife 195 aus. Da ein Abschnitt jedes Zielelements 150 des Ziels 120 nicht mehr durch das jeweilige Zielelement 150 des Ziels 110 abgeschirmt wird, während der Rest des Zielelements 150 weiterhin abgeschirmt ist, ist die Wirkung auf die Magnetfelder der Schleifen 195 nicht symmetrisch. Dadurch heben sich die Magnetfelder nicht mehr vollständig auf und die in der ersten und zweiten Empfangsspule 170 und 180 induzierte Spannung ist nicht länger null.
Die Spannung über der ersten Empfangsspule 170, die als VCL1 bezeichnet wird, ist gegeben als: $VCL 1 = k 1 * cos (θ) * V_{pri} * sin (ϖ t)$
wobei k1 ein vorbestimmter Verstärkungswert ist, der von dem Layout der Schleifen 195 abhängt, θ der Winkel zwischen Ziel 110 und Ziel 120 ist, V_pri die Amplitude der Primärspannung über der Sendespule 160 ist, ω die Frequenz der Primärspannung ist und t eine Darstellung der Zeit ist.
In ähnlicher Weise ist die Spannung über der zweiten Empfangsspule 180, die als VCL2 bezeichnet wird, gegeben als: $VCL2 = k 1 * sin (θ) * V_{pri} * sin (ϖ t)$
Obschon θ entweder aus VCL1 oder VCL2 bestimmt werden kann, stellt das Vorhandensein von zwei Empfangsspulen 170 und 180 eine genauere Berechnung bereit.
In einer Ausführungsform demoduliert die Steuerschaltung 190 die Spannungen VCL1 und VCL2 und bestimmt den Winkel θ in Abhängigkeit der demodulierten Spannungen als: $θ = k 1 * [{(VC 1)}^{2} + {(VC 2)}^{2}]$
wobei VC1 die Spannung VCL1 nach der Demodulation und VC2 die Spannung VCL2 nach der Demodulation ist.
In einer anderen Ausführungsform demoduliert die Steuerschaltung 190 eine der Spannungen VCL1 und VCL2 und bestimmt den Winkel θ in Abhängigkeit der demodulierten Spannung: $θ = k 2 * VC$
wobei k2 ein vorbestimmter Verstärkungswert ist, der von der Fläche der Schleifen 195 abhängt.
In einer anderen Ausführungsform bestimmt die Steuerschaltung 190 einen Winkel θ2 als den Winkel zwischen einer Kante des Zielelements 150 und einer Kante eines Schleifenpaars, d. h. den Versatz des Zielelements 150 innerhalb eines Schleifenpaars. Winkel θ2 ist gegeben als: $θ 2 = {tan}^{- 1} (VCL 2 / VCL 1)$
Im Gegensatz zu Winkel θ, der nur die Differenz zwischen den Drehwinkeln der Ziele 110 und 120 vorsieht, d. h. wie viel Ziel 120 in Bezug auf Ziel 110 gedreht wurde, stellt der Winkel θ2 Informationen hinsichtlich der Drehposition jedes der Ziele 110 und 120 bereit, d. h. wie viel jedes der Ziele 110 und 120 gedreht wurde. In der veranschaulichten Ausführungsform, in der für jede der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 3 Schleifenpaare 195 bereitgestellt sind, liegt der Winkel θ2 zwischen 0 -120 Grad.
In einer Ausführungsform ist, wie in 2J veranschaulicht, das erste Ziel 110 über eine Motorwelle 270 gepasst und das zweite Ziel 120 ist über eine Lenkwelle 280 gepasst. Die Motorwelle 270 ist über einen Torsionsstab 290 mit der Lenkwelle 280 verbunden. Wenn die Lenkwelle 280 gedreht wird, wird durch Drehen des Lenkrads 20 (nicht dargestellt) das auf die Lenkwelle 280 aufgebrachte Drehmoment über den Torsionsstab 290 auf die Motorwelle 270 übertragen. Die Drehung der Motorwelle 270 bleibt jedoch aufgrund der Torsionskonstante des Torsionsstabes 290 hinter der Drehung der Lenkwelle 280 zurück. Wie vorstehend beschrieben, bestimmt die Steuerschaltung 190 die Differenz zwischen den Drehwinkeln des ersten Ziels 110 und des zweiten Ziels 120, d. h. Winkel θ, und bestimmt gegebenenfalls ferner Drehpositionsinformationen des ersten Ziels 110 und des zweiten Ziels 120, d. h. Winkel θ2. Die Steuerschaltlogik 190 bestimmt zusätzlich den Betrag des auf die Lenkwelle 280 aufgebrachten Drehmoments als eine vorbestimmte Funktion des Winkels θ und der Torsionskonstante des Torsionsstabs 290.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurden für jede der ersten Empfangsspule 170 und zweiten Empfangsspule 180 6 Schleifen 195 bereitgestellt. Entsprechend wurde ein einzelnes 120-Grad-Zielelement 150 für jedes von Ziel 110 und Ziel 120 bereitgestellt. In einer anderen Ausführungsform sind, wie in 3A veranschaulicht, sind 2 Paare von Schleifen 195 für jede Empfangsspule vorgesehen. Entsprechend wird für jedes Ziel ein einziges 180-Grad-Zielelement 150 bereitgestellt. In einer anderen Ausführungsform sind, wie in 3B veranschaulicht, 4 Paare von Schleifen 195 für jede Empfangsspule vorgesehen. Entsprechend ist für jedes Ziel ein Paar von 90-Grad-Zielelementen 150 bereitgestellt. Ein Paar von Zielelementen 150 kann bereitgestellt werden, weil der Raum zwischen den Zielelementen 150 einen symmetrischen Abdeckungs-/Nichtabdeckungsbereich von Schleifen 195 ermöglicht. In einer anderen Ausführungsform sind, wie in 3C dargestellt, 5 Paare von Schleifen 195 für jede Empfangsspule vorgesehen. Entsprechend wird für jedes Ziel ein einziges 72-Grad-Zielelement 150 bereitgestellt. Wenn die Anzahl der Schleifenpaare größer als 3 und gerade ist, beträgt die Anzahl der Zielelemente im Allgemeinen die Hälfte der Anzahl der Schleifenpaare. Ist die Anzahl der Schleifenpaare ungerade, so ist nur 1 Zielelement bereitgestellt. In beiden Fällen stimmen die Größe und Form jedes Zielelements im Allgemeinen mit der Größe und Form jedes Schleifenpaares überein.
4A veranschaulicht ein schematisches Diagramm auf hoher Ebene eines Winkeldrehungserfassungssystems 300. Das Winkeldrehungserfassungssystem 300 ist in jeder Hinsicht dem Winkeldrehungserfassungssystem 100 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Leiterplatte 130 zwischen Ziel 110 und Ziel 120 positioniert ist. Wie in 4B dargestellt, sind, wenn die Ziele 110 und 120 ausgerichtet sind, die Wirkungen von jedem auf die Magnetfelder der Schleifen 190 identisch. Wie vorstehend beschrieben, ist die Wirkung jedes Zielelements 150 für die Schleifen 195 symmetrisch. Insgesamt ändert sich daher die Differenz zwischen den Spannungen VCL1 und VCL2 nicht. Wenn das erste Ziel 110 um einen ersten Drehwinkel gedreht wird und das zweite Ziel 120 um einen zweiten Drehwinkel gedreht wird, wie in 4C dargestellt, sind die Wirkungen auf das Magnetfeld nicht mehr symmetrisch, wie vorstehend beschrieben, und der Winkel zwischen dem ersten Ziel 110 und dem zweiten Ziel 120 wird in Reaktion auf eine oder beide der Spannungen VCL1 und VCL2 bestimmt. Wie vorstehend beschrieben, sind nur die Schleifen 195 der ersten Empfangsspule 170 veranschaulicht, jedoch sind die Auswirkungen auf die zweite Empfangsspule 180 gleich.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm auf hoher Ebene eines Winkeldrehungserfassungsverfahrens gemäß bestimmten Ausführungsformen. In Stufe 1000 ist ein erstes Ziel bereitgestellt. Das erste Ziel umfasst mindestens ein Zielelement, das um eine Längsachse des ersten Ziels angeordnet ist. Das erste Ziel ist um seine Längsachse zur Drehung eingerichtet. In Stufe 1010 ist ein zweites Ziel bereitgestellt. Das zweite Ziel umfasst mindestens ein Zielelement, das um eine Längsachse des zweiten Ziels angeordnet ist. Das zweite Ziel ist um seine Längsachse zur Drehung eingerichtet.
In Stufe 1020 ist eine erste Empfangsspule bereitgestellt. Die erste Empfangsspule umfasst eine Vielzahl von Schleifen. Die Vielzahl von Schleifen ist so ausgelegt, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf Hochfrequenzstrom (HF-Strom), der dort hindurch fließt, aufweisen. Jedes des mindestens einen Zielelements der Stufe 1000 und jedes des mindestens einen Zielelements der Stufe 1010 ist so bemessen und geformt, dass es im Allgemeinen mit der Größe und Form jedes Paares benachbarter Schleifen der ersten Empfangsspule übereinstimmt.
In Stufe 1030 ist eine zweite Empfangsspule bereitgestellt. Die zweite Empfangsspule weist eine Vielzahl von Schleifen auf. Die Vielzahl von Schleifen ist so ausgelegt, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf Hochfrequenzstrom (HF-Strom), der dort hindurch fließt, aufweisen. Jedes des mindestens einen Zielelements der Stufe 1000 und jedes des mindestens einen Zielelements der Stufe 1010 ist so bemessen und geformt, dass es im Allgemeinen mit der Größe und Form jedes Paares benachbarter Schleifen der zweiten Empfangsspule übereinstimmt. Optional sind die zweite Empfangsspule und die erste Empfangsspule von Stufe 1040 zwischen dem ersten Ziel von Stufe 1000 und dem zweiten Ziel von Stufe 1010 positioniert. In einer anderen Ausführungsform ist das erste Ziel von Stufe 1000 zwischen dem zweiten Ziel von Stufe 1010 und der ersten und zweiten Empfangsspule positioniert.
In Stufe 1040 wird ein Magnetfeld innerhalb jeder der Vielzahl von Schleifen der ersten Empfangsspule von Stufe 1020 und der zweiten Empfangsspule von Stufe 1030 erzeugt. In Stufe 1050 wird eine Ausgabe von jeder der ersten Empfangsspule von Stufe 1020 und der zweiten Empfangsspule von Stufe 1030 empfangen. In der optionalen Stufe 1060 wird als Reaktion auf die empfangene Ausgabe von Stufe 1050 eine Differenz zwischen einem Drehwinkel des ersten Ziels von Stufe 1000 um seine Längsachse und einem Drehwinkel des zweiten Ziels von Stufe 1010 um seine Längsachse bestimmt. In der optionalen Stufe 1070 wird als Reaktion auf die bestimmte Drehwinkeldifferenz der optionalen Stufe 1060 ein Betrag des auf eine Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments bestimmt. Die Lenkwelle ist mit dem zweiten Ziel von Stufe 1010 gekoppelt und eine Motorwelle ist mit dem ersten Ziel von Stufe 1000 gekoppelt. In der optionalen Stufe 1080 wird als Reaktion auf die bereitgestellte Ausgabe von Stufe 1050 die Winkelposition von einem oder beiden des ersten Ziels von Stufe 1000 und des zweiten Ziels von Stufe 1010 in Bezug auf einen vorbestimmten Punkt, vorzugsweise der Kante des gegenwärtig bedeckten Schleifenpaars, bestimmt. Mit anderen Worten wird der Betrag bestimmt, um den das erste oder zweite Ziel gedreht wurde.
Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Klarheit halber im Rahmen getrennter Ausführungsformen beschrieben werden, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die kurz gefasst im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch separat oder in jeder geeigneten Unterkombination bereitgestellt werden.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden werden. Obwohl ähnliche oder gleichwertige Verfahren wie die hierin beschriebenen in der Praxis oder Prüfung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden hierin geeignete Verfahren beschrieben.
Alle hierin genannten Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, Patente und anderen Bezugnahmen sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Im Falle eines Konflikts ist die Patentschrift, einschließlich der Definitionen, maßgebend. Darüber hinaus sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur veranschaulichend und nicht als Einschränkung gedacht.
Die Begriffe „einschließen“, „umfassen“ und „aufweisen“ und ihre Konjugate, wie hierin verwendet, bedeuten „einschließlich‟, aber nicht notwendigerweise beschränkt auf.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was vorstehend besonders gezeigt und beschrieben wurde. Vielmehr ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert und schließt sowohl Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen vorstehend beschriebenen Merkmale als auch Variationen und Modifikationen davon, die einem Fachmann beim Lesen der vorstehenden Beschreibung einfallen würden, ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7726208 [0004]

Claims

Winkeldrehungssensorsystem, umfassend: ein erstes Ziel, wobei das erste Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des ersten Ziels erstreckt, wobei das erste Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse zu drehen; ein zweites Ziel, wobei das zweite Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des zweiten Ziels erstreckt, wobei das zweite Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; eine Sendespule; eine erste Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, wobei die Schleifen der ersten Empfangsspule so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; und eine zweite Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, wobei die Schleifen der ersten Empfangsspule so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; wobei jedes der Zielelemente des ersten Ziels und des zweiten Ziels so geformt und bemessen ist, dass es im Allgemeinen mit einer Form und Größe eines Paares benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen übereinstimmt.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 1, wobei sich die erste und die zweite Empfangsspule zwischen dem ersten Ziel und dem zweiten Ziel befinden.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 1, wobei sich das erste Ziel zwischen dem zweiten Ziel und der ersten und zweiten Empfangsspule befindet.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerschaltung, die mit jeder der ersten und zweiten Empfangsspulen gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung so eingerichtet ist, dass sie auf eine Ausgabe der ersten und zweiten Empfangsspulen reagiert, um eine Differenz zwischen einem Drehwinkel des ersten Ziels um die Längsachse des ersten Ziels und einem Drehwinkel des zweiten Ziels um die Längsachse des zweiten Ziels zu bestimmen.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 4, wobei das erste Ziel mit einer Motorwelle gekoppelt ist und das zweite Ziel mit einer Lenkwelle gekoppelt ist und wobei die Steuerschaltung ferner eingerichtet ist, um als Reaktion auf die bestimmte Drehwinkeldifferenz einen Betrag des auf eine Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments zu bestimmen.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerschaltung, die mit jeder der ersten und zweiten Empfangsspulen gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, um als Reaktion auf eine Ausgabe der ersten und zweiten Empfangsspulen eine Winkelposition entweder des ersten Ziels oder des zweiten Ziels in Bezug auf einen vorbestimmten Punkt zu bestimmen.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der ersten und zweiten Ziele mindestens ein zusätzliches Zielelement umfasst, wobei das jeweilige Zielelement und das mindestens eine zusätzliche Zielelement um die Längsachse angeordnet sind.
Winkeldrehungssensorsystem nach Anspruch 7, wobei die Anzahl der Paare benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen der ersten Empfangsspule gerade ist und die Anzahl von zusätzlichen Zielelementen um eins kleiner als ½ der Anzahl der Paare ist.
Winkeldrehungserfassungsverfahren, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines ersten Ziels, wobei das erste Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des ersten Ziels erstreckt, wobei das erste Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse zu drehen; Bereitstellen eines zweiten Ziels, wobei das zweite Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des zweiten Ziels erstreckt, wobei das zweite Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; Bereitstellen einer ersten Empfangsspule, wobei die erste Empfangsspule eine Vielzahl von Schleifen aufweist, wobei die Schleifen so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen ersten Hochfrequenzstrom, der dort hindurch fließt, aufweisen; Bereitstellen einer zweiten Empfangsspule, wobei die zweite Empfangsspule eine Vielzahl von Schleifen aufweist, wobei die Schleifen so ausgelegt sind, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen zweiten Hochfrequenzstrom, der dort hindurch fließt, aufweisen; Erzeugen eines jeweiligen Magnetfeldes in jeder der Vielzahl von Schleifen; und Empfangen einer Ausgabe von jeder des Paares von Empfangsspulen, wobei jedes der Zielelemente des ersten Ziels und des zweiten Ziels so geformt und bemessen ist, dass es im Allgemeinen mit einer Form und Größe jedes Paares benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei sich die bereitgestellten ersten und zweiten Empfangsspulen zwischen dem bereitgestellten ersten Ziel und dem bereitgestellten zweiten Ziel befinden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei sich das bereitgestellte erste Ziel zwischen dem bereitgestellten zweiten Ziel und der bereitgestellten ersten und zweiten Empfangsspule befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, als Reaktion auf die bereitgestellte Ausgabe, das Bestimmen einer Differenz zwischen einem Drehwinkel des ersten Ziels um die Längsachse des ersten Ziels und einem Drehwinkel des zweiten Ziels um die Längsachse des zweiten Ziels.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das bereitgestellte erste Ziel mit einer Motorwelle gekoppelt ist und das bereitgestellte zweite Ziel mit einer Lenkwelle gekoppelt ist, wobei das Verfahren ferner als Reaktion auf die bestimmte Drehwinkeldifferenz das Bestimmen eines Betrags des auf die Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, als Reaktion auf die bereitgestellte Ausgabe, das Bestimmen einer Winkelposition entweder des bereitgestellten ersten Ziels oder des bereitgestellten zweiten Ziels in Bezug auf einen vorbestimmten Punkt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei jedes der ersten und zweiten Ziele mindestens ein zusätzliches Zielelement umfasst, wobei das jeweilige Zielelement und das mindestens eine zusätzliche Zielelement um die Längsachse angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Anzahl der Paare benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen der ersten Empfangsspule gerade ist und die Anzahl von zusätzlichen Zielelementen um eins kleiner als ½ der Anzahl der Paare ist
Winkeldrehungssensorsystem, umfassend: ein erstes Ziel, wobei das erste Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des ersten Ziels erstreckt, wobei das erste Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; ein zweites Ziel, wobei das zweite Ziel ein Zielelement umfasst, das sich radial von einer Längsachse des zweiten Ziels erstreckt, wobei das zweite Ziel eingerichtet ist, um sich um die Längsachse des ersten Ziels zu drehen; eine Sendespule; eine Empfangsspule, die eine Vielzahl von Schleifen umfasst, die so ausgelegt ist, dass benachbarte Schleifen entgegengesetzte magnetische Polaritäten als Reaktion auf einen in die Sendespule injizierten Hochfrequenzstrom aufweisen; und eine Steuerschaltung, die mit der Empfangsspule gekoppelt ist, wobei das Zielelement jedes des ersten Ziels und des zweiten Ziels so geformt und bemessen ist, dass es im Allgemeinen mit einer Form und Größe eines Paares benachbarter Schleifen der Vielzahl von Schleifen übereinstimmt.