DE112021002307T5

DE112021002307T5 - Winkelpositionssensor und zugehöriges anwendungsverfahren

Info

Publication number: DE112021002307T5
Application number: DE112021002307.1T
Authority: DE
Inventors: Ganesh Shaga; Kevin Mark Smith, JR.; Hwangsoo Choi; Sudheer Puttapudi
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2021-01-03
Publication date: 2023-03-23
Also published as: US11221236B1; US20220011138A1; CN115698641A; WO2022015363A1; CN115698641B

Abstract

Ein Winkelpositionssensor, der zwei planare Erregerspulen umfasst, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereich bilden, und zwei planare Erfassungsspulen, die innerhalb eines kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind. Jede der zwei planaren Erfassungsspulen umfasst einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt. Der Winkelpositionssensor umfasst ferner ein im Wesentlichen kreisförmiges drehbares induktives Kopplungselement, das in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erfassungsspulen positioniert und von den beiden planaren Erfassungsspulen durch einen Luftspalt getrennt ist, wobei das im Wesentlichen kreisförmige drehbare induktive Kopplungselement drei im Wesentlichen gleichmäßig beabstandete Sektoröffnungen umfasst.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der nicht vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 16/927,553 , eingereicht am 13. Juli 2020, deren Inhalt in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zahlreiche Branchen, darunter die Automobil-, Industrie- und Luft- und Raumfahrtindustrie, stellen hohe Zuverlässigkeitsanforderungen an ihre Positionserfassungssysteme. Potentiometer sind im Stand der Technik allgemein bekannt für die Verwendung in Positionserfassungssystemen und werden speziell zum Bestimmen von Verschiebungswinkeln von motorgesteuerten oder -regulierten Elementen verwendet. Obwohl Potentiometer eine relativ kostengünstige Lösung für die Positionserfassung darstellen, sind sie auch anfällig für die Auswirkungen ungünstiger Umweltbedingungen und unterliegen mit der Zeit dem Risiko von Ausfällen, die sich aus zahlreichen Bedienvorgängen ergeben. Um die Nachteile der auf Potentiometern basierenden Systeme zu überwinden, werden zunehmend berührungslose Positionssensoren verwendet, um die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu erfüllen. Berührungslose Positionssensoren sind derzeit dem Fachmann bekannt und können auf verschiedenen Prinzipien basieren, welche induktive, kapazitive, Hall-Effekt- oder magnetoresistive Prinzipien einschließen.
Ein berührungsloser Sensor, der auf induktiven Prinzipien basiert, wird allgemein als induktiver Positionssensor oder Resolver bezeichnet. Ein induktiver Positionssensor umfasst eine Spulenanordnung mit einer oder mehreren Erregerspulen und zwei oder mehreren Erfassungsspulen. Beim Betrieb eines induktiven Positionssensors wird ein Wechselstrom (AC) in die Erregerspule(n) eingespeist, was zur Erzeugung eines zeitveränderlichen Magnetfeldes in der Nähe der Erregerspule führt. Das zeitveränderliche Magnetfeld reicht aus, um eine zeitveränderliche Spannung in den Erfassungsspulen zu induzieren, als Folge der gegenseitigen magnetischen Kopplung zwischen der Erregerspule und den Erfassungsspulen. Um eine Winkelposition eines drehbaren Ziels in Bezug auf die Spulenanordnung zu bestimmen, wird ein leitfähiges Ziel innerhalb des zeitveränderlichen Magnetfelds zwischen der Erregerspule und den Erfassungsspulen drehbar positioniert und von den Spulen durch einen Luftspalt getrennt. Durch die Anwesenheit des drehbaren Ziels innerhalb des zeitveränderlichen Magnetfelds ändert sich die gegenseitige magnetische Kopplung zwischen der Erregerspule und den Erfassungsspulen in Bezug auf die Position des drehbaren Ziels. Die Änderung der gegenseitigen Kopplung zwischen der Erregerspule und den Erfassungsspulen verändert die zeitveränderliche Spannung, die in den Erfassungsspulen induziert wird. Da die Größe der in den Erfassungsspulen induzierten Spannungsänderung im Allgemeinen sinusförmig in Bezug auf die Winkelposition des drehbaren Ziels relativ zur Spulenanordnung ist, kann die zeitveränderliche Spannung innerhalb der Erfassungsspulen gemessen und verarbeitet werden, um die Winkelposition des drehbaren Ziels zu bestimmen.
Eine Spulenanordnung, die allgemein in herkömmlichen elektromechanischen Resolvern verwendet wird, umfasst axiale Wicklungen, die auf einen ferromagnetischen Kern gewickelt sind. Allerdings ist diese Art der Resolveranordnung teuer und benötigt viel Platz. Um die Kosten und die Größe von Resolvern zu reduzieren, ist es auch dem Fachmann bekannt, planare Spulen auf einer oder mehreren Leiterplatten (PCB) zu bilden, um die Spulenanordnung des Resolvers bereitzustellen. Der derzeitige Trend bei den auf planaren Spulen basierenden Positionssensoren hat zu einer steigenden Nachfrage nach Positionssensoren geführt, die leicht im Gewicht, kostengünstig und zuverlässig sind und außerdem eine verbesserte Störfestigkeit aufweisen. Zum Beispiel besteht in der Automobilindustrie eine steigende Nachfrage nach Positionssensoren, die einen kleinen Formfaktor aufweisen, wie 6 mm, 12 mm und 15 mm im Durchmesser. Außerdem besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem Positionssensor mit kleinem Formfaktor, der die Anforderungen an Luftspalt und Genauigkeit erfüllt. Die derzeit im Stand der Technik bekannten planaren Spulenanordnungen für induktive Sensoren erfüllen jedoch nicht die Anforderungen an Luftspalt, Genauigkeit und Formfaktor.
Entsprechend wird im Stand der Technik ein berührungsloser Winkelpositionssensor benötigt, der eine planare Spulenanordnung verwendet, die in einem kleinen Formfaktor implementiert ist, der die Anforderungen an Luftspalt und Erfassungsgenauigkeit erfüllt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements bereit. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt einen verbesserten, berührungslosen, induktiven Winkelpositionssensor bereit, der einen reduzierten Formfaktor bereitstellt und dennoch die Anforderungen an Luftspalt und Erfassungsgenauigkeit erfüllt.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Winkelpositionssensor bereit, der zwei planare Erregerspulen einschließt, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereich bilden. Der Winkelpositionssensor schließt ferner zwei planare Erfassungsspulen ein, die innerhalb eines kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind und wobei jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst. Der Winkelpositionssensor schließt ferner ein im Wesentlichen kreisförmiges drehbares induktives Kopplungselement, das in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erfassungsspulen positioniert und von den beiden planaren Erfassungsspulen durch einen Luftspalt getrennt ist, wobei das im Wesentlichen kreisförmige drehbare induktive Kopplungselement drei Sektoröffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem kreisförmigen, drehbaren induktiven Kopplungselement beabstandet sind.
In einer besonderen Ausführungsform weist der kleinere Sektor des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs, der durch die beiden planaren Erregerspulen des Winkelpositionssensors gebildet wird, einen zentralen Winkel von etwa 120° auf, und jede Sektoröffnung des im Wesentlichen kreisförmigen, drehbaren induktiven Kopplungselements weist einen zentralen Winkel von etwa 30° auf. In dieser Ausführungsform sind jeder des im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts und des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts jeder der beiden planaren Erfassungsspulen innerhalb eines von vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert und wobei jeder der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
In einer zusätzlichen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements bereit, das das Herstellen einer magnetischen Kopplung zwischen zwei planaren Erregerspulen und zwei planaren Erfassungsspulen einschließt, um eine zeitveränderliche Spannung in den beiden planaren Erfassungsspulen zu induzieren, wobei die beiden planaren Erfassungsspulen innerhalb eines kleineren Sektors eines im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind, der durch die beiden planaren Erregerspulen gebildet wird, und wobei jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst, der gegenüber einem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt positioniert ist. Das Verfahren schließt ferner das Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements ein, das drei Sektoröffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem kreisförmigen, drehbaren induktiven Kopplungselement in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erregerspulen beabstandet sind und von den beiden planaren Erregerspulen durch einen Luftspalt getrennt sind, wobei die Position des drehbaren induktiven Kopplungselements eine Variation einer magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen und den Wicklungsabschnitten jeder der beiden planaren Erfassungsspulen bewirkt. Das Verfahren schließt ferner das Messen einer zeitveränderlichen Spannung ein, die in den beiden planaren Erfassungsspulen als Ergebnis der Variation der magnetischen Kopplung induziert wird, um eine Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements relativ zur Position der beiden planaren Erfassungsspulen zu bestimmen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Patentschrift aufgenommen wurden und einen Bestandteil dieser Patentschrift bilden, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Ausführungsformen der Erläuterung von nachstehend erörterten Prinzipien. Die Zeichnungen, auf die in dieser Kurzbeschreibung Bezug genommen wird, sind nicht als maßstabsgetreu zu verstehen, es sei denn, dies ist ausdrücklich vermerkt.

1 ist ein Diagramm, das den Winkelpositionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, das die Konstruktion der planaren Erregerspulen und planaren Erfassungsspulen des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3A ist ein Diagramm, das die mehrschichtige Positionierung der beiden planaren Erregerspulen des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3B ist ein Diagramm, das die relative Positionierung der beiden planaren Erregerspulen des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4A ist ein Diagramm, das die mehrschichtige Positionierung des Wicklungslayouts des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts von einer der ersten planaren Erfassungsspulen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4B ist ein Diagramm, das die Wicklungswindungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn einer ersten der beiden planaren Erfassungsspulen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4C ist ein Diagramm, das die Wicklungswindungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn einer zweiten der beiden planaren Erfassungsspulen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5A ist ein Diagramm, das den Winkelpositionssensor in einer 0°-Drehwinkelposition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5B ist ein Diagramm, das den Winkelpositionssensor in einer 30°-Drehwinkelposition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5C ist ein Diagramm, das den Winkelpositionssensor in einer 60°-Drehwinkelposition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5D ist ein Diagramm, das den Winkelpositionssensor in einer 90°-Drehwinkelposition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5E ist eine grafische Darstellung der Spannungsgrößenvariation der beiden planaren Erfassungsspulen in Bezug auf die Position des drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Obwohl hierin verschiedene Ausführungsformen erörtert werden, versteht es sich, dass diese nicht einschränkend sein sollen. Vielmehr sollen die dargestellten Ausführungsformen Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die innerhalb des Geistes und des Schutzumfangs der durch die verschiedenen durch die beiliegenden Ansprüche definierten Ausführungsformen eingeschlossen sein können. Des Weiteren werden in dieser detaillierten Beschreibung der Erfindung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis bereitzustellen. Die Ausführungsformen können jedoch auch ohne eines oder mehrere dieser spezifischen Details umgesetzt werden. In anderen Fällen wurden hinlänglich bekannte Verfahren, Abläufe, Komponenten und Schaltungen nicht ausführlich beschrieben, um Gesichtspunkte der beschriebenen Ausführungsformen nicht unnötig zu verunklaren.
Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Somit könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die nachstehend erörtert werden, auch als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, gemeinhin verstanden wird. Ferner versteht es sich, dass Begriffe, wie diejenigen, die in allgemein gebräuchlichen Wörterbüchern definiert sind, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung aufweisen, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des relevanten Gebiets übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne interpretiert werden, es sei denn, dass diese hierin ausdrücklich so definiert sind.
Die vorliegende Erfindung stellt einen induktiven Winkelpositionssensor mit einer planaren Spulenanordnung bereit, die auf einer mehrschichtigen Leiterplatte (PCB) implementiert ist. Die Spulenmuster der Erfassungsspulen und der zusätzlichen Stützschaltlogik sind im Inneren der Erregerspulen positioniert, wodurch ein reduzierter Formfaktor bereitgestellt wird. Außerdem stellt das Layout der Erregerspulen eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit bereit, und die erhöhte Anzahl der Wicklungswindungen der Erfassungsspulen ermöglicht einen größeren Luftspalt und eine höhere Erfassungsamplitude.
Unter Bezugnahme auf 1 weist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Winkelpositionssensor 100 zwei planare Erregerspulen 105, 110 auf, eine erste planare Erfassungsspule, die einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 130 und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 umfasst, und eine zweite planare Erfassungsspule, die einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 umfasst. Die im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 130, 135 und die gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule sind innerhalb eines kleineren Sektors eines Innenbereichs positioniert, der durch die beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildet wird. In der vorliegenden Erfindung ist ein im Uhrzeigersinn wickelnder Abschnitt 130, 135 als ein Wicklungsabschnitt definiert, wobei die Richtung des Stromflusses durch den Wicklungsabschnitt in einer Richtung im Uhrzeigersinn ist, und ein gegen den Uhrzeigersinn wickelnder Abschnitt 140, 145 als ein Wicklungsabschnitt definiert ist, wobei die Richtung des Stromflusses durch den wickelnden Abschnitt in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn ist, wenn der Strom durch den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 130, 135 in der Richtung im Uhrzeigersinn ist. Eine zusätzliche Stützschaltlogik 180 für den Sensor 100 ist in einem größeren Sektor des Inneren der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 positioniert. Die Spannungserfassungsschaltlogik kann mit den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitten 130, 135 und den gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitten 140, 145 der ersten bzw. zweiten planaren Erfassungsspule gekoppelt werden und wird zur Messung einer zeitveränderlichen Spannung verwendet, die in der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule induziert wird. Die Stützschaltlogik 180 kann einen oder mehrere Kondensatoren 182, 184, 186 einschließen und ist im Inneren der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 positioniert, wodurch die Gesamtgröße der Leiterplatte reduziert wird.
Die planaren Erregerspulen 105, 110 und Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen können eine oder mehrere Wicklungswindungen einschließen, wie in 1 gezeigt. Die Anzahl der Wicklungswindungen der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 und der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule kann durch den von der Erfassungsschaltung mit dem Positionssensor 100 benötigten Erfassungsspannungsbereich bestimmt werden. Die Anzahl der Wicklungswindungen jedes der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen sollte jedoch vorzugsweise gleich sein und das von den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 gebildete Muster sollte vorzugsweise symmetrisch innerhalb des kleineren Sektors des durch die planaren Erregerspulen 105, 110 gebildeten kreisförmigen Innenbereichs angeordnet sein. Somit ist die Anzahl der Wicklungswindungen der im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 130, 135 jeder der ersten bzw. zweiten planaren Erfassungsspule vorzugsweise gleich einer Anzahl von Wicklungswindungen der gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 140, 145 jeder der ersten bzw. zweiten planaren Erfassungsspule. In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform sind die Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule symmetrisch in einem kleineren Sektor eines durch die beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildeten kreisförmigen Bereichs verteilt.
Der Positionssensor 100 der vorliegenden Erfindung schließt zusätzlich ein im Wesentlichen kreisförmiges, drehbares induktives Kopplungselement 150 auf, das in überlagernder Beziehung zu den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen und der beiden planaren Erregerspulen 105, 110, wie unter Bezugnahme auf 1 veranschaulicht, positioniert ist. Das drehbare induktive Kopplungselement 150 ist eine drehbare leitfähige Scheibe mit einem Radius 175, der im Wesentlichen gleich dem Radius des Innenbereichs ist, der von den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildet wird. Das drehbare induktive Kopplungselement 150 kann aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material hergestellt werden, welches Aluminium, Messing, Kupfer und Edelstahl sowie andere dem Fachmann bekannte nichtferromagnetische leitfähige Materialien einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Im Allgemeinen kann das drehbare induktive Kopplungselement 150 aus jedem Material hergestellt werden, das wirksam ist bei der Änderung der zeitveränderlichen Spannung, die in den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen induziert wird, wenn sie in dem zeitveränderlichen Magnetfeld in der Nähe der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 angeordnet ist. Das drehbare induktive Kopplungselement 150 ist oberhalb der im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 130, 140 und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 135, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule positioniert und ist von der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule durch einen Luftspalt 120 getrennt. Wie veranschaulicht, schließt das drehbare induktive Kopplungselement 150 drei Sektoröffnungen 160, 165, 170 ein, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 beabstandet sind.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes Layout der beiden planaren Erregerspulen 105, 110, der ersten planaren Erfassungsspule 115, der zweiten planaren Erfassungsspule 125 und der zusätzlichen Schaltlogik 180 des Winkelpositionssensors im weiteren Detail, wobei das darüberliegende drehbare induktive Kopplungselement 150 weggelassen wird. Wie in 2 gezeigt, schließen die ersten planaren Erfassungsspulen 115 den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 130 und den gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 ein, und die zweiten planaren Erfassungsspulen 125 schließen den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 und den gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 ein. Die Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten Erfassungsspule 115, 125 sind innerhalb eines kleineren Sektors 190 des kreisförmigen Innenbereichs positioniert, der durch die beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildet wird. Die Stützschaltlogik 180 ist innerhalb des verbleibenden größeren Sektors des kreisförmigen Innenbereichs positioniert, der von den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildet wird.
Wie in 2 gezeigt, ist der kleinere Sektor 190 des kreisförmigen Innenbereichs in vier gleiche Untersektoren 192, 194, 196, 198 unterteilt und jeder der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der jeweiligen ersten und zweiten Erfassungsspulen 115, 125 sind in einem der vier gleichen Untersektoren 192, 194, 196, 198 positioniert. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist jede der drei Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 Abmessungen auf, die im Wesentlichen gleich einem der vier gleichen Untersektoren 192, 194, 196, 198 sind.
In der beispielhaften Ausführungsform von 2 sind alle vier Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten Erfassungsspule 115, 125 innerhalb eines kleineren Sektors 190 positioniert, der einen zentralen Winkel von etwa 120° aufweist, und jeder der einzelnen Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten Erfassungsspule 115, 125 ist innerhalb eines von vier gleichen Untersektoren 192, 194, 196, 198 positioniert, wobei jeder der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist. Wie gezeigt, sind die im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 130, 135 und die gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte 140, 145 der ersten bzw. zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 in abwechselnden Untersektoren des kleinen Sektors 190 positioniert. Zum Beispiel ist der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 im ersten Untersektor 192 positioniert, der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 135 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 ist im zweiten angrenzenden Untersektor 194 positioniert, der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 ist im dritten angrenzenden Untersektor 196 positioniert und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 ist im vierten angrenzenden Untersektor 198 positioniert. Entsprechend, ist der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 von dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 durch den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 und den im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 von dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 durch den gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 getrennt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 und unter Bezugnahme auf 2 ergibt sich, dass in der in 2 gezeigten Ausführungsform jeder der vier gleichen Untersektoren 192, 194, 196, 198 einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist, jede Sektoröffnung 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 ebenfalls einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
3A und 3B veranschaulichen ferner ein beispielhaftes Layout der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 des Winkelpositionssensors 100. In verschiedenen Ausführungsformen können die Spulen des Winkelpositionssensors 100 der vorliegenden Erfindung auf einem mehrschichtigen Substrat, wie einer Leiterplatte (PCB), implementiert sein. Das Ätzen von Leiterplatten ist dem Fachmann allgemein dafür bekannt, dass leitfähige Spuren mit gewünschten Mustern auf einschichtige oder mehrschichtige Substrate gebildet werden. In der veranschaulichten Ausführungsform, können die Wicklungen einer ersten planaren Erregerspule 105 der beiden planaren Erregerspulen auf einer ersten Schicht 300 und auf einer zweiten Schicht 305 des Substrats der Leiterplatte positioniert sein und die Wicklungen einer zweiten planaren Erregerspule 110 der beiden planaren Erregerspulen können auf einer dritten Schicht 310 und auf einer vierten Schicht 315 des PCB-Substrats positioniert sein. Die Wicklungen auf den verschiedenen Schichten 300, 305, 310, 315 des Substrats sind durch Durchkontaktierungen verbunden, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Eine Gleichspannungsquelle 350 ist mit den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 in einer Konfiguration mit Mittenabgriff gekoppelt, um das Magnetfeld in den Spulen 105, 110 aufzubauen. Dieses Positionieren der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 erzeugt ein im Wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld, um eine höhere Genauigkeit des Positionssensors zu erreichen.
Außerdem ist, wie in 3A gezeigt, jede der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 an eine Wechselstromquelle 360 gekoppelt. Die Wechselstromquelle 360 kann eine der zahlreichen dem Fachmann bekannten Wechselstromquellen sein, die eine Oszillatorschaltung einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Außerdem sind die beiden planaren Erregerspulen 105, 110 jeweils mit einem Kondensator 370, 375 gekoppelt. Die Kondensatoren 370, 375 können einer der Kondensatoren 182, 184, 186 (nicht gezeigt) sein, die im Inneren des von den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 gebildeten Bereichs positioniert sind. Die Kopplung der planaren Erregerspulen 105, 110 mit der Wechselstromquelle 360 und den Kondensatoren 370, 375 ergibt eine kreuzgekoppelte Resonanztankschaltung 380. Der Differentialbetrieb in kreuzgekoppelten Resonanztankschaltungen führt zu einer verbesserten Phasenrauschleistung der Schaltung.
4A, 4B und 4C veranschaulichen ferner das physische Layout der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen 115, 125 des Winkelpositionssensors 100. 4A veranschaulicht ein beispielhaftes Wicklungslayout des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115. Während das beispielhafte physische Layout der Wicklungsabschnitte der planaren Erfassungsspulen 115, 125 mit Bezug auf den gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 veranschaulicht wird, gilt die Beschreibung auch für die anderen Wicklungsabschnitte der planaren Erfassungsspulen 115, 125. Wie in 4A gezeigt, kann ein erster Satz von Wicklungswindungen 410 des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 auf der ersten, oder oberen Schicht 300 eines mehrschichtigen Substrats positioniert werden und ein zweiter Satz von Wicklungswindungen 415 des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 kann auf der zweiten Schicht 305 des mehrschichtigen Substrats positioniert werden. Zudem kann ein dritter Satz von Wicklungswindungen 420 des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 auf der dritten Schicht 310 des mehrschichtigen Substrats positioniert werden, und ein vierter Satz von Wicklungswindungen 425 des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 kann auf einer vierten oder unteren Schicht 315 des mehrschichtigen Substrats positioniert werden. Somit wird in dieser Ausführungsform jeder Satz von Wicklungswindungen 410, 415, 420, 425 des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 auf einer unterschiedlichen Schicht des mehrschichtigen Substrats positioniert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 insgesamt 16 Wicklungswindungen umfassen und jeder Satz von Wicklungswindungen 410, 415, 420, 425 kann 4 Wicklungswindungen einschließen, wobei 4 Wicklungswindungen des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 140 auf jeder der 4 Schichten 300, 305, 310, 315 des mehrschichtigen Substrats positioniert sind. Wie in 4B und 4C gezeigt, ist jede der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 mit der Spannungserfassungsschaltlogik 405 gekoppelt.
4B veranschaulicht eine Draufsicht auf die im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gewickelten Wicklungswindungen 135, 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 sowie die Verbindungen zu einer Spannungserfassungsschaltlogik 405. 4C veranschaulicht eine Draufsicht auf die im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gewickelten Wicklungswindungen 130, 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 sowie die Verbindungen zu der Spannungserfassungsschaltlogik 405.
Im Betrieb des Winkelpositionssensors 100, wenn die beiden planaren Erregerspulen 105, 110 mit der Resonanzfrequenz erregt werden, wird ein zeitveränderliches Magnetfeld in der Nähe der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 aufgebaut, das eine zeitveränderliche Spannung in der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 induziert. Da die Richtungen des in den Wicklungsrichtungen der Wicklungsabschnitte der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 fließenden Stroms einander entgegengesetzt sind, wird in der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 eine Nettospannung von Null induziert. Die Spannungserfassungsschaltlogik 405 erfasst und misst die zeitveränderliche Spannung in der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125. Das drehbare induktive Kopplungselement 150, wie in 1 gezeigt, ist in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erregerspulen 105, 115 und der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 positioniert und von diesen durch den Luftspalt 120 getrennt. Abhängig von der Position der drei Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 relativ zur Position der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125, können ein oder mehrere der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 von einer der Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 zumindest teilweise abgedeckt werden, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 um seine Achse gedreht wird. Abhängig von der Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 in Bezug auf die Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125, und insbesondere der Position der Sektoröffnungen 160, 165, 170, werden einige der Wicklungsabschnitte der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 von dem darüberliegenden drehbaren induktiven Kopplungselement 150 zumindest teilweise abgedeckt, während andere Wicklungsabschnitte der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 nicht von dem darüberliegenden drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt werden. Wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 gedreht wird, werden die Sektoröffnungen 160, 165, 170 über unterschiedlichen Wicklungsabschnitten der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 positioniert. Wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 innerhalb des zeitveränderlichen Magnetfeldes positioniert wird, das zwischen den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 und der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 des Winkelpositionssensors 100 aufgebaut ist, entsteht eine Änderung des Magnetfeldes in dem Bereich, in dem die Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt werden. Das Positionieren des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 innerhalb des Magnetfeldes induziert in dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 Wirbelströme, die das zeitveränderliche Magnetfeld im Bereich der von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckten Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 dämpfen. Infolge der Induktion von Wirbelströmen in dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 wird die zeitveränderliche Spannung, die in den von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckten Wicklungsabschnitten der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 induziert wird, abgeschwächt, und die zeitveränderliche Spannung, die in den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 induziert wird, die nicht von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt sind, d. h. die von einer der Sektoröffnungen 160, 165, 170 abgedeckt werden, wird nicht abgeschwächt.
Wie in 5A - 5D veranschaulicht, ändert sich die Größe der zeitveränderlichen Spannung, die in den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 induziert wird, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 um 90° gedreht wird, basierend auf der Position auf den Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 relativ zu dem Winkelpositionssensor 100. Während die folgende Beschreibung davon ausgeht, dass eine der Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 so positioniert ist, dass sie im Wesentlichen mit einem der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 ausgerichtet ist, versteht es sich, dass einer oder mehrere der Wicklungsabschnitte aufgrund des Positionierens einer der Sektoröffnungen 160, 165, 170 in Bezug auf die Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 nur teilweise von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt werden könnten, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 gedreht wird.
In 5A ist, wenn sich das drehbare induktive Kopplungselement 150 in einer 0°-Position befindet, eine erste Sektoröffnung 160 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 über einem im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 angeordnet, während der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 140 und die Wicklungsabschnitte 135, 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt sind.
In 5B wird, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 gegen den Uhrzeigersinn in eine 30°-Position gedreht wird, eine zweite Sektoröffnung 165 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 über dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 positioniert, während der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 135 und die Wicklungsabschnitte 130, 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt sind.
In 5C wird, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 gegen den Uhrzeigersinn in eine 60°-Position gedreht wird, die zweite Sektoröffnung 165 dann über dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 positioniert, während der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 130 und die Wicklungsabschnitte 135, 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt sind.
In 5D wird, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 150 gegen den Uhrzeigersinn in eine 90°-Position gedreht wird, die zweite Sektoröffnung 165 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 über dem im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 positioniert, während der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 145 und die Wicklungsabschnitte 130, 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt sind.
Während das drehbare induktive Kopplungselement 160 durch jede der in 5A - 5D gezeigten Positionen gedreht wird, wird die zeitveränderliche Spannung, die in jeder der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 induziert wird, von der Spannungserfassungsschaltlogik 405 gemessen. In dieser beispielhaften Ausführungsform sind die von der Spannungserfassungsschaltlogik 405 gemessenen Spannungen Sinus- und Cosinusfunktionen des Drehwinkels der Sektoröffnungen 160, 165 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 relativ zum Winkelpositionssensor 100. Wenn die Sektoröffnung 160 wie in 5A positioniert ist, wird das zeitveränderliche Magnetfeld über dem im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 und dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 und über dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 abgeschwächt, aber das zeitveränderliche Magnetfeld wird oberhalb des im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 nicht abgeschwächt. Somit unterscheidet sich die zeitveränderliche Spannung, die im gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 140 der ersten planaren Erfassungsspule 115 induziert wird, von der zeitveränderlichen Spannung, die in dem im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 induziert wird. Dieser Unterschied in der induzierten Spannung wird durch die Spannungserfassungsschaltlogik 405 gemessen. Die Spannungserfassungsschaltlogik 405 bestimmt zudem ein Verhältnis einer Größe der gemessenen zeitveränderlichen Spannung der ersten planaren Erfassungsspule 115 zu einer Größe der gemessenen zeitveränderlichen Spannung der zweiten planaren Erfassungsspule 125, um die Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 relativ zur Position der ersten planaren Erfassungsspule 115 und der zweiten planaren Erfassungsspule 125 zu bestimmen. Das Vorstehende wurde in Bezug auf die wie in 5A positionierte Sektoröffnung 160 ausführlich beschrieben, wobei es sich versteht, dass ähnliche Änderungen der zeitveränderlichen Spannung für die in jeder der 5B - 5D gezeigten Positionierungen beschrieben werden können.
Wie im Diagramm 500 von 5E gezeigt, ist bei der Position der Sektoröffnung 160, wie sie in 5A als Null-Drehungs-Bezugspunkt betrachtet wird, die Nettospannung 510, die in dem im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 135 und in dem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt 145 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 induziert wird, null, weil beide der Wicklungsabschnitte der zweiten planaren Erfassungsspule 125 durch das drehbare induktive Kopplungselement 150 abgedeckt sind. Jedoch ist die in der ersten planaren Erfassungsspule 115 induzierte Nettospannung 505 auf einem Spitzenwert, weil der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 130 der ersten planaren Erfassungsspule 115 überhaupt nicht von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt wird und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt 140 vollständig von dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150 abgedeckt wird. Der Spitzenwert der Sinus- und Cosinusfunktionen der zeitveränderlichen Spannung der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 ist abhängig von dem Luftspalt 120 zwischen den Wicklungsabschnitten der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 und dem drehbaren induktiven Kopplungselement 150, der Anzahl der Wicklungswindungen der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 und der Anzahl der Wicklungswindungen der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125.
Im Allgemeinen veranschaulicht das Diagramm 500 in 5E die Variation der Spannungsgröße der ersten planaren Erfassungsspule 115 und der zweiten planaren Erfassungsspule 125 in Bezug auf die Position der Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150. Die Variation der Spannungsgröße wird von der Spannungserfassungsschaltlogik 405 erfasst, und die Messungen können ferner verarbeitet werden, um die Zielwinkelposition bereitzustellen. Wenn zum Beispiel die Größe der Spannung 505 der ersten planaren Erfassungsspule 115 als Nullspannung gemessen wird und die Größe der Spannung 510 der zweiten planaren Erfassungsspule 125 als negative Spitzenspannung gemessen wird, kann aus einem Vergleich der gemessenen Spannungen bestimmt werden, dass die Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 bei 30° liegt, was der in 5B veranschaulichten Konfiguration entspricht. Zudem veranschaulicht das Diagramm die Spannungsgröße der ersten planaren Erfassungsspule 115 und der zweiten planaren Erfassungsspule 125 zwischen den 0°-, 30°-, 60°- und 90°-Positionen des drehbaren induktiven Kopplungselements 150. Zwischen den 0°-, 30°-, 60°- und 90°-Positionen des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 können einer oder mehrere der Wicklungsabschnitte 130, 135, 140, 145 der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 nur teilweise von einer der Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 abgedeckt werden, was, wie gezeigt, zu erfassten Spannungsgrößen zwischen der maximalen und der minimalen Größe führt.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei Vorgang 605 schließt das Verfahren das Herstellen einer magnetischen Kopplung zwischen zwei planaren Erregerspulen und zwei planaren Erfassungsspulen ein, um eine zeitveränderliche Spannung in den beiden planaren Erfassungsspulen zu induzieren, wobei die beiden planaren Erfassungsspulen innerhalb eines kleineren Sektors eines im wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind, der durch die beiden planaren Erregerspulen gebildet wird, und wobei jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt einschließt, der gegenüber einem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt positioniert ist. Mit Bezug auf 1 und 2 wird in der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kopplung zwischen zwei planaren Erregerspulen 105, 110 und einer ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 aufgebaut, die in einem Innenraum der beiden planaren Erregerspulen 105, 110 positioniert sind, um eine zeitveränderliche Spannung in der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 zu induzieren, wobei jede der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 einen jeweiligen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt und einen jeweiligen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst.
Bei Vorgang 610 schließt das Verfahren ferner das Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements ein, das drei Sektoröffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem kreisförmigen, drehbaren induktiven Kopplungselement in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erregerspulen beabstandet sind und von den beiden planaren Erregerspulen durch einen Luftspalt getrennt sind, wobei die Position der Sektoröffnungen des drehbaren induktiven Kopplungselements eine Variation einer magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen und den Wicklungsabschnitten jeder der beiden planaren Erfassungsspulen bewirkt. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist in der vorliegenden Erfindung das drehbare induktive Kopplungselement 150, das die Sektoröffnungen 160, 165, 170 umfasst, in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 positioniert und von der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 115, 125 durch einen Luftspalt 120 getrennt, um eine Variation in einer magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 und den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der beiden planaren Erfassungsspulen 115, 125 zu bewirken, über denen die Sektoröffnungen 160, 165, 170 des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 nicht im Wesentlichen ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist das drehbare induktive Kopplungselement aus nicht-ferromagnetischem leitfähigem Material hergestellt, d. h. es umfasst dieses.
Bei Vorgang 615 schließt das Verfahren das Messen einer zeitveränderlichen Spannung ein, die in den beiden planaren Erfassungsspulen als Ergebnis der Variation in der magnetischen Kopplung induziert wird. Unter Bezugnahme auf 1 und 4A- 4C wird in der vorliegenden Erfindung die Spannungserfassungsschaltung 405 zur Messung einer zeitveränderlichen Spannung verwendet, die in den beiden planaren Erfassungsspulen 115, 125 als Folge der Variation der magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen 105, 110 und den Wicklungsabschnitten 130, 135, 140, 145 der beiden planaren Erfassungsspulen 115, 125 induziert wird.
Bei Vorgang 620 schließt das Verfahren das Bestimmen eines Verhältnisses der gemessenen zeitveränderlichen Spannung jeder der beiden planaren Erfassungsspulen ein, um die Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements relativ zur Position der beiden planaren Erfassungsspulen zu bestimmen. Unter Bezugnahme auf 1 und 4A-4C bestimmt in der vorliegenden Erfindung die Spannungserfassungsschaltlogik 405 eine Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements 150 relativ zur Position der beiden planaren Erfassungsspulen 115, 125.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt einen verbesserten, berührungslosen, induktiven Winkelpositionssensor bereit, der eine planare Spulenanordnung verwendet, die auf einer mehrschichtigen Leiterplatte (PCB) implementiert werden kann, um eine verbesserte Genauigkeit bereitzustellen und einen größeren Luftspalt zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform können Abschnitte des Winkelpositionssensors in einer integrierten Schaltung als einzelner Halbleiterchip implementiert sein. Alternativ kann die integrierte Schaltung mehrere Halbleiterchips einschließen, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, wie zum Beispiel ein Multi-Chip-Modul, das in einem einzelnen Gehäuse einer integrierten Schaltung untergebracht ist.
In verschiedenen Ausführungsformen können Abschnitte des Systems der vorliegenden Erfindung in einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert sein. Wie der Fachmann erkennt, können verschiedene Funktionen von Schaltungselementen auch als Verarbeitungsschritte in einem Softwareprogramm implementiert sein. Eine solche Software kann zum Beispiel in einem Digitalsignalprozessor, einem Mikrocontroller oder einem Universalcomputer eingesetzt werden.
Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben und aus der Erörterung ersichtlich, versteht es sich, dass sich Erörterungen, die Begriffe, wie „Messen“, „Bestimmen“, „Erzeugen“, „Anwenden“, „Senden“, „Zählen“, „Kodieren“, „Sperren“ oder dergleichen nutzen, in der gesamten Beschreibung auf die Aktion und Prozesse eines Computersystems oder einer ähnlichen elektronischen Rechenvorrichtung beziehen können, die Daten, die als physikalische (elektronische) Größen in Registern und Speichern des Computersystems dargestellt werden, manipuliert und in andere Daten umwandelt, die in ähnlicher Art und Weise als physikalische Größen in den Speichern oder Registern des Computersystems oder in anderen derartigen Vorrichtungen zur Speicherung, Übertragung oder Anzeige von Informationen dargestellt werden.
Ferner versteht es sich, dass zum Zwecke der Erörterung und des Verständnisses der Ausführungsformen der Erfindung verschiedene vom Fachmann verwendete Begriffe verwendet werden, um Techniken und Ansätze zu beschreiben. Des Weiteren werden in der Beschreibung zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es ist jedoch für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden kann. In einigen Fällen sind hinlänglich bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms und nicht im Detail gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht zu verunklaren. Diese Ausführungsformen sind hinreichend detailliert beschrieben, um es dem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt werden können und dass logische, mechanische, elektrische und andere Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16927553 [0001]

Claims

Winkelpositionssensor, umfassend: zwei planare Erregerspulen, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereich bilden; zwei planare Erfassungsspulen, die innerhalb eines kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs angeordnet sind, wobei der kleinere Sektor vier gleiche Untersektoren umfasst, wobei jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst und jeder der im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte in einem der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors positioniert ist; und ein im Wesentlichen kreisförmiges drehbares induktives Kopplungselement, das in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erfassungsspulen positioniert und von den beiden planaren Erfassungsspulen durch einen Luftspalt getrennt ist, wobei das im Wesentlichen kreisförmige drehbare induktive Kopplungselement drei Sektoröffnungen umfasst, die auf dem kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselement im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei jede der Sektoröffnungen des im Wesentlichen kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselements Abmessungen aufweist, die im Wesentlichen gleich einem der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs sind, der von den beiden planaren Erregerspulen gebildet wird.
Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei das drehbare induktive Kopplungselement eine drehbare leitfähige Scheibe ist, die einen Radius aufweist, der im Wesentlichen gleich einem Radius der beiden planaren Erregerspulen ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei das drehbare induktive Kopplungselement aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material besteht.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der kleinere Sektor des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs einen zentralen Winkel von etwa 120° aufweist und jede der drei Sektoröffnungen des im Wesentlichen kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselements einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei jeder der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt jeder der beiden planaren Erfassungsspulen in abwechselnden Untersektoren des kleineren Sektors positioniert sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei jeder der im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte der beiden planaren Erfassungsspulen eine Vielzahl von Wicklungswindungen umfasst und wobei eine Anzahl von Wicklungswindungen des im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts gleich einer Anzahl von Wicklungswindungen des gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitts von jeder der beiden planaren Erfassungsspulen ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei jede der beiden planaren Erregerspulen eine Vielzahl von Wicklungswindungen umfasst.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, ferner umfassend ein mehrschichtiges Substrat und wobei jede der beiden planaren Erregerspulen auf einer unterschiedlichen Schicht des mehrschichtigen Substrats positioniert ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, ferner umfassend ein mehrschichtiges Substrat, wobei der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt jeder der beiden planaren Erfassungsspulen jeweils auf einer unterschiedlichen Schicht des mehrschichtigen Substrats positioniert sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Gleichspannungsquelle, die mit den beiden planaren Erregerspulen gekoppelt ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kondensator, der mit jeder der beiden planaren Erregerspulen gekoppelt ist, wobei die beiden planaren Erregerspulen und die Kondensatoren einen kreuzgekoppelten Resonanztankkreis bilden.
Winkelsensor nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spannungserfassungsschaltlogik, die mit jeder der beiden planaren Erfassungsspulen gekoppelt ist.
Winkelpositionssensor, umfassend: zwei planare Erregerspulen, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereich bilden; zwei planare Erfassungsspulen, die innerhalb eines kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind, wobei der kleinere Sektor einen zentralen Winkel von etwa 120° aufweist und jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt und einen gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst, wobei jeder der im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte und der gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitte innerhalb eines von vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind und wobei jeder der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist; und ein im Wesentlichen kreisförmiges nicht-ferromagnetisches Kopplungselement, das in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erfassungsspulen positioniert und von den beiden planaren Erfassungsspulen durch einen Luftspalt getrennt ist, wobei das im Wesentlichen kreisförmige drehbare induktive Kopplungselement drei Sektoröffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselement beabstandet sind, wobei jede Sektoröffnung einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer magnetischen Kopplung zwischen zwei planaren Erregerspulen und zwei planaren Erfassungsspulen, um eine zeitveränderliche Spannung in den beiden planaren Erfassungsspulen zu induzieren, wobei die beiden planaren Erfassungsspulen innerhalb eines kleineren Sektors eines im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs, der durch die beiden planaren Erregerspulen gebildet wird, positioniert sind und wobei jede der beiden planaren Erfassungsspulen einen im Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt umfasst, der gegenüber einem gegen den Uhrzeigersinn wickelnden Abschnitt positioniert ist; Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements, das drei Sektoröffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig auf dem kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselement in überlagernder Beziehung zu den beiden planaren Erregerspulen beabstandet und von den beiden planaren Erregerspulen durch einen Luftspalt getrennt sind, wobei die Position der Sektoröffnungen des drehbaren induktiven Kopplungselements eine Änderung einer magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen und den Wicklungsabschnitten jeder der beiden planaren Erfassungsspulen als Reaktion auf eine Drehung des positionierten drehbaren induktiven Kopplungselements bewirkt; und Messen einer zeitveränderlichen Spannung, die in den beiden planaren Erfassungsspulen als Ergebnis der Variation der magnetischen Kopplung induziert wird, um eine Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements relativ zur Position der beiden planaren Erfassungsspulen zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Drehen des drehbaren induktiven Kopplungselements, um eine der Sektoröffnungen zumindest teilweise über mindestens einen der Wicklungsabschnitte der beiden planaren Erfassungsspulen zu positionieren, um die Variation der magnetischen Kopplung zwischen den beiden planaren Erregerspulen und dem mindestens einen Wicklungsabschnitt zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Messen der zeitveränderlichen Spannung, die in den beiden planaren Erfassungsspulen als Ergebnis der Variation der magnetischen Kopplung induziert wird, um die Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements relativ zu der Position der beiden planaren Kopplungsspulen zu bestimmen, ferner umfasst: Messen der zeitveränderlichen Spannung jeder der beiden planaren Erfassungsspulen; und Bestimmen eines Verhältnisses der Größen der gemessenen zeitveränderlichen Spannung jeder der beiden planaren Erfassungsspulen, um die Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements relativ zu der Position der beiden planaren Erfassungsspulen zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der kleinere Sektor des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs einen zentralen Winkel von etwa 120° aufweist und jede Sektoröffnung des im Wesentlichen kreisförmigen drehbaren induktiven Kopplungselements einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei sowohl der im Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt als auch der gegen den Uhrzeigersinn wickelnde Abschnitt jeder der beiden planaren Erfassungsspulen innerhalb eines von vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors des im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereichs positioniert sind und wobei jeder der vier gleichen Untersektoren des kleineren Sektors einen zentralen Winkel von etwa 30° aufweist.