DE112021005057T5

DE112021005057T5 - Hochauflösender induktiver winkelsensor und zugehöriges verfahren zur verwendung

Info

Publication number: DE112021005057T5
Application number: DE112021005057.5T
Authority: DE
Inventors: Ganesh Shaga
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2022132229A1

Abstract

Ein Winkelpositionssensor, umfassend zwei ringförmige Sensoren, einen ringförmigen Sensor zum Erzeugen eines grob auflösenden zeitveränderlichen Signals in Gegenwart eines drehbaren induktiven Kopplungselements und den anderen ringförmigen Sensor zum Erzeugen eines fein auflösenden zeitveränderlichen Signals in Gegenwart des drehbaren induktiven Kopplungselements. Das drehbare induktive Kopplungselement umfasst einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, wobei die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts und des zweiten ringförmigen Abschnitts verschieden sind. Insbesondere können die ringförmigen leitfähigen Sektoren der ringförmigen Abschnitte 50 % oder 75 % der Gesamtfläche der ringförmigen Abschnitte umfassen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität für die am 14. Dezember 2020 eingereichte vorläufige indische Patentanmeldung mit der Seriennummer 202021/054,245 und die am 28. Juni 2021 eingereichte nicht vorläufige US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 17/359,694 , deren jeweiliger Inhalt durch Bezugnahme hierin in vollem Umfang 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 Spalt 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.
Es ist im Stand der Technik bekannt, planare Spulen auf einer oder mehreren Leiterplatten (PCB) zu bilden, um die Spulenanordnung des Positionssensors bereitzustellen. Es besteht ein großer Bedarf an Positionssensoren, die leicht, kostengünstig, hochzuverlässig sind und eine verbesserte Störfestigkeit aufweisen. Obwohl bekannte induktive Positionssensoren viele dieser Anforderungen erfüllen, erfordern verschiedene Anwendungen auch Sensoren mit hochauflösenden Fähigkeiten. Zum Beispiel können in der industriellen, medizinischen, Weltraum- und Abwehrbranche Sensorlösungen erforderlich sein, die eine hohe Präzision und Auflösung bereitstellen. Zusätzlich sind hochpräzise und hochauflösende Messungen häufig für Antennen erforderlich, die mit MEO-Satelliten (Medium Earth Orbit-Satelliten) und LEO-Satelliten (Low Edge Orbit-Satelliten) kommunizieren.
Dementsprechend ist, was im Stand der Technik benötigt wird, ein berührungsloser Winkelpositionssensor, der eine hohe Erfassungsgenauigkeit und Auflösungsanforderungen erfüllt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements mit verbesserter Genauigkeit und Auflösung bereit. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen einen verbesserten, berührungslosen, induktiven Winkelpositionssensor bereit, der eine verbesserte Genauigkeit und Auflösung in den Sensorausgaben bereitstellt.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Winkelpositionssensor bereit, der einen ersten ringförmigen Sensor und einen zweiten ringförmigen Sensor umfasst, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben. Der Winkelpositionssensor umfasst ferner ein drehbares induktives Kopplungselement, das in einer darüberliegenden Beziehung zu und durch einen Spalt getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist. Das drehbare induktive Kopplungselement schließt ferner einen ersten ringförmigen Abschnitt ein, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts unterschiedlich ist als eine Anzahl von leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts.
In einer besonderen Ausführungsform bildet die erste planare Erregerspule des Winkelpositionssensors einen kreisförmigen Innenbereich und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar ist innerhalb des kreisförmigen Innenbereichs positioniert, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine Kosinuserfassungsspule und eine Sinuserfassungsspule einschließt und jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule jeweils einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn einschließen. Zusätzlich kann die zweite planare Erregerspule des Winkelpositionssensors so positioniert sein, dass sie die erste planare Erregerspule umgibt und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar zwischen der ersten planaren Erregerspule und der zweiten planaren Erregerspule positioniert werden kann, wobei das zweite planare Erfassungsspulenpaar eine Kosinuserfassungsspule und eine Sinuserfassungsspule einschließt und jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst.
Der Winkelpositionssensor kann zusätzlich eine Schaltlogik einschließen, die mit der ersten planaren Erregerspule, der zweiten planaren Erregerspule, dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar gekoppelt ist, wobei die Schaltlogik ein Erregersignal an die erste planare Erregerspule und die zweite planare Erregerspule bereitstellt, um ein Wechselstrom-Magnetfeld (AC-Magnetfeld) zu erzeugen und um modulierte Sinus- und Kosinuswellenformen zu erfassen, die in dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar als Reaktion auf eine Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements induziert werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements bereit, das einschließt: Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem ersten ringförmigen Sensor, wobei der erste ringförmige Sensor eine erste planare Erregerspule und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule gebildet ist, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der jeweiligen Kosinuserfassungsspule und der jeweiligen Sinuserfassungsspule des ersten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst, und Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem zweiten ringförmigen Sensor, wobei der zweite ringförmige Sensor eine zweite planare Erregerspule und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das mit einem kreisförmigen Innenbereich positioniert ist, der durch die zweite planare Erregerspule gebildet ist, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben, wobei das zweite planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jeder der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst. Das Verfahren schließt ferner das Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor ein, wobei das drehbare induktive Kopplungselement einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt umfasst, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts von einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts verschieden. Das Verfahren schließt zusätzlich das Drehen des drehbaren induktiven Kopplungselements ein, um grob auflösende Sinus- und Kosinussignale mit einer Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements mit einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren eines ersten des ersten ringförmigen Abschnitts und des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements zu erzeugen und um fein auflösende Sinus- und Kosinussignale mit einer Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements mit einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren eines zweiten des ersten ringförmigen Abschnitts und des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements zu erzeugen und eine Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements unter Verwendung der grob auflösenden Sinus- und Kosinussignale und der fein auflösenden Sinus- und Kosinussignale zu bestimmen.
Somit stellt die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen einen verbesserten kontaktlosen Winkelpositionssensor bereit, der hohe Anforderungen im Hinblick auf Erfassungsgenauigkeit und Auflösung erfüllt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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 ein Spulendesign eines Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2A ist ein Diagramm, das eine Draufsicht eines Winkelpositionssensors mit einem Grob-zu-Fein-Verhältnis von 1:6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2B ist ein Diagramm, das eine perspektivische Ansicht eines Winkelpositionssensors mit einem Grob-zu-Fein-Verhältnis von 1:6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3A ist eine Detailansicht einer planaren Erregerspule des ersten ringförmigen Sensors des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine Detailansicht einer planaren Erregerspule des zweiten ringförmigen Sensors des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A ist eine Detailansicht eines Paars von planaren Erregerspulen des ersten ringförmigen Sensors des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B ist eine Detailansicht eines Paars von planaren Erregerspulen des zweiten ringförmigen Sensors des Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Diagramm, das ein alternatives Spulendesign eines Winkelpositionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6A ist ein Diagramm, das einen Winkelpositionssensor mit einem Grob-zu-Fein-Verhältnis von 1:4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6B ist ein Diagramm, das eine alternative Ausführungsform eines drehbaren induktiven Kopplungselements veranschaulicht, das ein Grob-zu-Fein-Verhältnis von 1:4 bereitstellt.
7 ist ein Blockdiagramm, das beispielhafte Verarbeitungsschritte von analogen Signalen von dem ringförmigen Positionssensor veranschaulicht, um eine Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bestimmen.
8A ist ein erster Abschnitt eines Flussdiagramms, das Verfahrensschritte zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8B ist ein zweiter Abschnitt des Flussdiagramms von 8A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

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.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Spulendesign 100 eines Winkelpositionssensors der vorliegenden Erfindung zwei ringförmige Sensoren 150, 160. Jeder der beiden ringförmigen Sensoren 150, 160 umfasst eine planare Erregerspule und eine planare Erfassungsspule. In Reaktion auf die Geometrie und Positionierung eines drehbaren induktiven Kopplungselements (nicht gezeigt) stellt einer der zwei ringförmigen Sensoren 150, 160 ein grobes Winkelpositionsmesssignal bereit und der andere ringförmige Sensor stellt ein feines Winkelpositionsmesssignal bereit.
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform schließt das Spulendesign 100 des Winkelpositionssensors der vorliegenden Erfindung einen ersten ringförmigen Sensor 160, der eine erste planare Erregerspule 110 umfasst, die einen kreisförmigen Innenbereich bildet, und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar 120 ein, das innerhalb des kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule 110 gebildet wird. Das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 schließt eine Sinuserfassungsspule 610 und eine Kosinuserfassungsspule 605 ein und jede der Sinuserfassungsspule 610 und der Kosinuserfassungsspule 605 umfasst einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt im Gegenuhrzeigersinn. Das Spulendesign 100 des Winkelpositionssensors schließt zusätzlich einen zweiten ringförmigen Sensor 150, der eine zweite planare Erregerspule 105 umfasst, die positioniert ist, um die erste planare Erregerspule 110 zu umgeben, und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar 115 ein, das zwischen der ersten planaren Erregerspule 110 und der zweiten planaren Erregerspule 105 positioniert ist. Das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 schließt eine Sinuserfassungsspule 640 und eine Kosinuserfassungsspule 645 ein und jede der Sinuserfassungsspule 640 und der Kosinuserfassungsspule 645 umfasst einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt im Gegenuhrzeigersinn. In der vorliegenden Erfindung ist ein Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn als ein Wicklungsabschnitt definiert, wobei die Richtung des Stromflusses durch den Wicklungsabschnitt in einer Richtung im Uhrzeigersinn ist, und ein Wicklungsabschnitt im Gegenuhrzeigersinn ist als ein Wicklungsabschnitt definiert, wobei die Richtung des Stromflusses durch den Wicklungsabschnitt in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn ist, wenn der Strom durch den Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn in der Richtung im Uhrzeigersinn verläuft. Eine Spannungseingabe 180 in die erste planare Erregerspule 110 und eine Spannungseingabe 190 in die zweite planare Erregerspule 105 legt die Richtung des Stromflusses im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn fest. Daher ist der Ausdruck im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, wie durchgehend verwendet, nicht als feste Richtung gemeint, sondern soll stattdessen feststellen, dass die Ströme zu einem beliebigen Zeitpunkt in entgegengesetzte Richtungen fließen.
Das Vorstehende wurde in einer Ausführungsform beschrieben, bei der die planaren Erregerspulen radial weiter verlängert sind als die planaren Erfassungsspulen, d. h. jede der Erregerspulen ist bei Betrachtung von der Längsdrehachse distal zu den zugehörigen Erfassungsspulen, dies soll jedoch in keiner Weise einschränkend sein. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) sind die planaren Erfassungsspulen radial weiter verlängert als die planaren Erregerspulen, d. h., jede der Erregerspulen liegt bei Betrachtung von der Längsdrehachse proximal zu den zugehörigen Erfassungsspulen, wobei die proximale Ausführungsform eine Stromerhöhung für die planaren Erregerspulen im Vergleich zu der vorstehenden distalen Ausführungsform erfordern kann.
Das Spulendesign 100 des Winkelpositionssensors kann zusätzlich eine Schaltlogik 125 einschließen, die mit dem ersten ringförmigen Sensor 160 und dem zweiten ringförmigen Sensor 150 des Winkelpositionssensors gekoppelt ist. Die Schaltlogik 125 stellt ein Erregersignal an die planaren Erregerspulen des ersten ringförmigen Sensors 160 und des zweiten ringförmigen Sensors 150 bereit und empfängt modulierte Sinus- und Kosinussignale von den planaren Erfassungsspulen des ersten ringförmigen Sensors 160 und des zweiten ringförmigen Sensors 150 in Gegenwart eines drehbaren induktiven Kopplungselements, das üblicherweise als Ziel bezeichnet wird. Insbesondere kann eine erste integrierte Schaltung 130 der Schaltlogik 125 mit der ersten planaren Erregerspule 110 gekoppelt sein und das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 und eine zweite integrierte Schaltung 135 der Schaltlogik 125 können mit der zweiten planaren Erregerspule 105 und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 gekoppelt sein. Während des Betriebs kann die erste integrierte Schaltung 130 eine Eingangsspannung bereitstellen, um die erste planare Erregerspule 110 bei einer bestimmten Frequenz zu erregen, und in Gegenwart eines drehbaren Ziels, das das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 überlagert, kann die erste integrierte Schaltung 130 eine zeitveränderliche Spannung, die in dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 induziert wird, als ein moduliertes Sinus- und Kosinussignal erfassen. Zusätzlich kann die zweite integrierte Schaltung 135 eine Eingangsspannung bereitstellen, um die zweite planare Erregerspule 105 bei einer bestimmten Frequenz zu erregen, und in Gegenwart eines drehbaren Ziels, das das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 überlagert, kann die zweite integrierte Schaltung 135 die in dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 induzierten modulierten Sinus- und Kosinussignale erfassen.
2A veranschaulicht eine Draufsicht auf einen Winkelpositionssensor 200, der das Spulendesign 100 aufweist, wie in 1 gezeigt, und ein drehbares induktives Kopplungselement 250, das in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 positioniert ist. Das drehbare induktive Kopplungselement 250 kann aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material hergestellt werden, welches Aluminium, Messing, Kupfer und Edelstahl sowie andere dem Fachmann bekannte nicht-ferromagnetische leitfähige Materialien einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Im Allgemeinen kann das drehbare induktive Kopplungselement 250 aus jedem Material hergestellt sein, das wirksam bei der Änderung der zeitveränderlichen Spannung ist, die in den Wicklungsabschnitten des ersten planaren Erfassungsspulenpaars 120 und des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars 115 induziert wird, wenn es in dem zeitveränderlichen Magnetfeld in der Nähe der ersten und der zweiten planaren Erregerspule 110, 105 angeordnet wird. Das drehbare induktive Kopplungselement 250 ist über dem ersten (120) und dem zweiten (115) planaren Erfassungsspulenpaare positioniert und ist von dem ersten und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 120, 115 durch einen Spalt getrennt.
In der beispielhaften Ausführungsform von 2A schließt das drehbare induktive Kopplungselement 250 einen ersten ringförmigen Abschnitt 290 ein, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor 245 und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 240 umfasst. Das drehbare induktive Kopplungselement 250 schließt ferner einen zweiten ringförmigen Abschnitt 294 ein, der eine Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 umfasst, die durch einen inneren ringförmigen Ringabschnitt 295 verbunden sind. Jeder der ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 ist im Wesentlichen gleichmäßig radial um den zweiten ringförmigen Abschnitt 294 beabstandet, sind durch den inneren ringförmigen Ringabschnitt 295 verbunden und Verlängerungen davon sind durch einen nichtleitfähigen ringförmigen Sektor 202, 204, 206, 208, 210 bzw. 212 getrennt.
2B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Winkelpositionssensors von 2A. Wie in 2B gezeigt, ist das drehbare induktive Kopplungselement 250, das eine Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 umfasst, die durch den inneren ringförmigen Ringabschnitt 295 verbunden sind, in einer darüberliegenden Beziehung zu und durch einen Spalt 170 getrennt von dem planaren Erfassungsspulenpaar 115 positioniert und der ringförmige leitfähige Sektor 245 ist in einer darüber liegenden Beziehung zu und durch einen Spalt 170 getrennt von dem planaren Erfassungsspulenpaar 120 positioniert. Insbesondere ist das drehbare induktive Kopplungselement 250 mit einer drehbaren Welle (nicht gezeigt) verbunden, um das drehbare induktive Kopplungselement 250 derart zu positionieren, dass es sich in einer darüberliegenden Beziehung zu dem ersten und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115, 120 befindet. Während in der in 2B gezeigten Ausführungsform der zweite ringförmige Abschnitt 294 in der darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt 290 in der darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 positioniert ist, ist dies nicht als einschränkend beabsichtigt. Dementsprechend wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend erachtet, dass der zweite ringförmige Abschnitt 294 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt 290 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 positioniert ist.
In der in 2A und 2B veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform sind die ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 und des ringförmigen leitfähigen Sektors 245 des ersten ringförmigen Abschnitts 290 eine metallische Schicht, die auf einem dielektrischen Substrat 251 hergestellt ist. Außerdem sind die ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren 202, 204, 206, 208, 210 und 212 des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 und der ringförmige nichtleitfähige Sektor 240 des ersten ringförmigen Abschnitts 290 das dielektrische Substrat 251 selbst, ohne die metallische Schicht. Somit sind in dieser Ansicht die Spulendesigns des ringförmigen Positionssensors 200 als gestrichelte Linien dargestellt, da sie unter dem dielektrischen Substrat 251 nicht sichtbar sind. Der innere ringförmige Ringabschnitt 295 ermöglicht, dass Wirbelströme der ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 zwischen den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 fließen.
Mindestens zwei alternative Ausführungsformen der mechanischen Anordnung liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. In der in 2A gezeigten ersten Ausführungsform der mechanischen Anordnung sind der erste ringförmige Abschnitt 290 und der zweite ringförmige Abschnitt 294 auch durch einen dritten ringförmigen Abschnitt 292 getrennt, der aus dem dielektrischen Substrat 251 gebildet ist. Dementsprechend ist in dieser Ausführungsform der erste ringförmige Abschnitt 290 von dem zweiten ringförmigen Abschnitt 294 durch den dritten ringförmigen Abschnitt 292 getrennt, wodurch kein Pfad für Wirbelströme bereitgestellt wird, um zwischen dem ersten ringförmigen Abschnitt 290 zu/von dem zweiten ringförmigen Abschnitt 294 zu gelangen. In einer zweiten Ausführungsform (nicht gezeigt) können die ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230 und 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 eine hergestellte metallische Struktur sein und die ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren 202, 204, 206, 208, 210, 212 und 240 können tatsächliche Hohlräume in der metallischen Struktur sein, und als solche ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren 202, 204, 206, 208, 210, 212, 240 können Luft umfassen. In der Ausführungsform der zweiten mechanischen Anordnung können der erste ringförmige Abschnitt 290 und der zweite ringförmige Abschnitt 294 kontinuierlich sein, wodurch ein Pfad für Wirbelströme bereitgestellt wird, um zwischen dem ersten ringförmigen Abschnitt 290 zu dem zweiten ringförmigen Abschnitt 294 zu gelangen. Ein drehbares induktives Kopplungselement mit kontinuierlichen ringförmigen Abschnitten wird unter Bezugnahme auf 6 veranschaulicht und beschrieben.
In der beispielhaften Ausführungsform von 2A und 2B umfasst der erste ringförmige Abschnitt 290 einen einzelnen ringförmigen leitfähigen Sektor 245 und der zweite ringförmige Abschnitt 294 umfasst sechs ringförmige leitfähige Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230. Der Winkel des ringförmigen leitfähigen Sektors 245 des ersten ringförmigen Abschnitts 290 beträgt 270° und der Winkel des nichtleitfähigen ringförmigen Sektors 240 des ersten ringförmigen Abschnitts 290 beträgt 90°. Dies soll jedoch nicht einschränkend sein, und alternativ könnte der Winkel des ringförmigen leitfähigen Sektors 245 180° betragen und der Winkel des nichtleitfähigen ringförmigen Sektors 240 könnte auch 180° betragen. Außerdem kann der Winkel jedes der sechs ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228 und 230 des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 optional 45° oder 30° betragen. Jeder der sechs benachbarten ringförmigen leitfähigen Sektoren und ringförmige nichtleitfähige Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 bildet jeweils einen 60°-Sensor 280. Wenn zum Beispiel der ringförmige leitfähige Sektor 222 einen Winkel von 30° aufweist, dann weist der benachbarte ringförmige nichtleitfähige Sektor 204 einen Winkel von 30° auf, um den 60°-Sensor 280 festzulegen, und wenn der ringförmige leitfähige Sektor 222 einen Winkel von 45° aufweist, dann weist der benachbarte ringförmige nichtleitfähige Sektor 240 einen Winkel von 15° auf, um den 60°-Sensor 280 festzulegen. Die vorstehend genannten Winkel sind in Bezug auf eine zentrale Längsachse (nicht gezeigt) definiert, um die sich drehbares induktives Kopplungselement 250 dreht, und sind als relative Bögen eines kreisförmigen Objekts definiert.
Verschiedene andere geometrische Ausgestaltungen des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann der zweite ringförmige Abschnitt 294 mit Sensoren 280 als 90°-Sensor mit leitfähigen Sektoren von 45° oder 67,5° konfiguriert sein, und der erste ringförmige Abschnitt 290 kann mit einem leitfähigen Sektor von 270° oder 180° konfiguriert sein. Im Allgemeinen können der/die ringförmige(n) leitfähige(n) Sektor(en) eines der ringförmigen Abschnitte 290, 294 50 % oder 75 % des gesamten ringförmigen Abschnitts umfassen.
Wenn der erste ringförmige Abschnitt 290 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 positioniert ist und der zweite ringförmige Abschnitt 294 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 positioniert ist, wird ein 360°-Sensor mit einem nichtleitfähigen 90°-Sektor 240 und einem leitfähigen 270°-Sektor 245 hergestellt und sechs 60°-Sensoren 280, die jeweils einen jeweiligen ringförmigen leitfähigen 30°-Sektor 220, 222, 224, 226, 228, 230 und einen jeweiligen ringförmigen nichtleitfähigen 30°-Sektor 202, 204, 206, 208, 210, 212 aufweisen, werden hergestellt. Für jede Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 wird ein moduliertes Sinus- und Kosinussignal von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 als Ausgabe bereitgestellt und sechs modulierte Sinus- und Kosinussignale werden von dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 als Ausgabe bereitgestellt werden. Das durch die Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 über das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 bereitgestellte modulierte Sinus- und Kosinussignal wird als das grobe Ausgabesignal bezeichnet und das durch die Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 über das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 bereitgestellte modulierte Sinus- und Kosinussignal wird als das feine Ausgabesignal bezeichnet. Somit ist in der in 2A und 2B veranschaulichten Ausführungsform das Verhältnis von groben Ausgabesignalen zu feinen Ausgabesignalen 1:6 und sechs Sinus- und Kosinuswellenformen werden von dem zweiten ringförmigen Abschnitt 294 für jede Sinus- und Kosinuswellenform bereitgestellt, die von dem ersten ringförmigen Abschnitt 290 für jede vollständige Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 bereitgestellt wird.
Die groben und feinen Sinus- und Kosinus-Wellenformen werden integriert, um die Auflösung des Winkelpositionssensors 200 zu verbessern. Zum Beispiel verbessert die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) zum Abtasten der integrierten Wellenformen die Auflösung des resultierenden digitalen Beispiels. Im Falle der Ausgabe eines Grob-zu-Fein-Verhältnisses von 1:6, wird die Auflösung um 2,5 Bits erhöht. Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Verhältnis nicht einschränkend sein soll und das Grob-zu-Fein-Verhältnis auf kundenspezifischen Anforderungen basieren kann und von der ADC-Auflösung abhängig sein kann.
Außerdem soll, wenngleich der in 2A und 2B veranschaulichte ringförmige Positionssensor 200 nur einen ringförmigen leitfähigen Sektor 245 im ersten ringförmigen Abschnitt 290 einschließt, dies nicht einschränkend sein. Der erste ringförmige Abschnitt 290 kann mehrere leitfähige Sektoren einschließen und die leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 werden angemessen bestimmt. Während zum Beispiel die Anzahl der leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 nicht eingeschränkt ist, wenn der erste ringförmige Abschnitt 290 nur einen ringförmigen leitfähigen Sektor umfasst, wenn der erste ringförmige Abschnitt 290 mehrere ringförmige leitfähige Sektoren umfasst, sollte die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 294 vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts 290 sein, um überlappende Nullpunkte in den resultierenden Sinus- und Kosinussignalen zu vermeiden, die schwer zu unterscheiden sind, wenn die Ausgaben abgetastet werden. Wenn zum Beispiel 3 ringförmige leitfähige Sektoren in dem ersten ringförmigen Abschnitt 290 vorhanden sind, sollte die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren im zweiten ringförmigen Abschnitt 294 vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches von 3 sein.
Während des Betriebs des Winkelpositionssensors 200 führt, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 250 innerhalb des zeitveränderlichen Magnetfeldes positioniert ist, das zwischen der ersten und der zweiten planaren Erregerspule 110, 105 und der ersten und der zweiten planaren Erfassungsspule 120, 115 des Winkelpositionssensors 200 hergestellt ist, führt eine Veränderung des Magnetfeldes zu dem Bereich, in dem die Wicklungsabschnitte der ersten und der zweiten planaren Erfassungsspule 120, 115 von den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230, 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 abgedeckt sind. Das Positionieren des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 innerhalb des Magnetfeldes induziert in dem drehbaren induktiven Kopplungselement 250 Wirbelströme, die das zeitveränderliche Magnetfeld im Bereich der Wicklungsabschnitte der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen 120, 115 dämpfen, die von den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230, 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 abgedeckt sind. Infolge der Induktion von Wirbelströmen in den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230, 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 wird die zeitveränderliche Spannung, die in den Wicklungen der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 120, 115 induziert wird, die von den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230, 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 abgedeckt sind, gedämpft und die zeitveränderliche Spannung, die in den Wicklungsabschnitten der ersten und zweiten planaren Erfassungsspule 120, 115 induziert wird, die nicht von den ringförmigen leitfähigen Sektoren 220, 222, 224, 226, 228, 230, 245 des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 abgedeckt sind, d. h. diejenigen, die von einem der ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren 202, 204, 206, 208, 210, 212, 240 abgedeckt sind, wird nicht gedämpft.
Detaillierte Ansichten der ersten planaren Erregerspule 110 und des zweiten planaren Erregers 105 sind mit Bezug auf 3A bzw. 3B gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können die planaren Erregerspulen 105, 110 des Spulendesigns 100 des Winkelpositionssensors 200 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 von 3A kann die erste planare Erregerspule 110 eine oder mehrere Wicklungswindungen einschließen und die Wicklungswindungen der ersten planaren Erregerspule 110 können auf einer ersten Schicht und auf einer zweiten Schicht eines PCB-Substrats positioniert sein, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht des PCB-Substrats durch eine Durchkontaktierung 515 verbunden sind, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform wird angenommen, dass der Abschnitt der ersten planaren Erregerspule 110, der schwarz veranschaulicht ist, auf der ersten Schicht der PCB-Struktur positioniert ist und der Abschnitt der ersten planaren Erregerspule 110, der weiß veranschaulicht ist, auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert ist. Somit kann die erste planare Erregerspule 110 einen Wicklungsabschnitt 505 im Gegenuhrzeigersinn auf einer ersten Schicht des PCB-Substrats und einen Wicklungsabschnitt 510 im Uhrzeigersinn auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats einschließen. Während des Betriebs wird eine Spannung von der ersten integrierten Schaltung 130 an einer Eingangsspannung 500 zur ersten planaren Erregerspule 110 bereitgestellt, um die erste planare Erregerspule 110 mit einer gewünschten Frequenz zu erregen. Während des Betriebs wird eine Spannung relativ zu Masse 507 der ersten planaren Erregerspule 110 durch die erste integrierte Schaltung 130 an dem gemeinsamen Eingang 500 in die erste planare Erregerspule 110 bereitgestellt, um die erste planare Erregerspule 110 bei einer gewünschten Frequenz zu erregen.
In der veranschaulichten Ausführungsform von 3B kann die zweite planare Erregerspule 105 eine oder mehrere Wicklungswindungen einschließen und die Wicklungswindungen der zweiten planaren Erregerspule 105 können auf einer ersten Schicht und auf einer zweiten Schicht eines PCB-Substrats positioniert sein, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht des PCB-Substrats durch eine Durchkontaktierung 530 verbunden sind, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform wird angenommen, dass der Abschnitt der zweiten planaren Erregerspule 105, der schwarz veranschaulicht ist, auf der ersten Schicht der PCB-Struktur positioniert ist und der Abschnitt der zweiten planaren Erregerspule 105, der weiß veranschaulicht ist, als auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert ist. Die zweite planare Erregerspule 105 kann einen Wicklungsabschnitt 525 im Gegenuhrzeigersinn auf einer ersten Schicht des PCB-Substrats und einen Wicklungsabschnitt 520 im Uhrzeigersinn auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats einschließen. Während des Betriebs wird eine Spannung von der zweiten integrierten Schaltung 135 an dem gemeinsamen Eingang 500 zur zweiten planaren Erregerspule 105 bereitgestellt, um die zweite planare Erregerspule 105 mit einer gewünschten Frequenz zu erregen.
Detaillierte Ansichten des ersten planaren Erfassungsspulenpaars 120 und des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars 115 sind mit Bezug auf 4A bzw. 4B veranschaulicht. In verschiedenen Ausführungsformen können die planaren Erfassungsspulenpaare 115, 120 des Spulendesigns 100 des Winkelpositionssensors 200 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 von 4A schließt das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 eine Sinuserfassungsspule 610 und eine Kosinuserfassungsspule 605 ein, und jede der Sinuserfassungsspule 610 und der Kosinuserfassungsspule 605 können eine oder mehrere Wicklungswindungen einschließen. Die Wicklungswindungen des Spulenpaars 120 der Sinuserfassungsspule 610 können auf einer ersten Schicht und auf einer zweiten Schicht eines PCB-Substrats positioniert sein, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen 620, 622, 635, 636, 642, 643 verbunden sind und die Kosinuserfassungsspule 605 auf der ersten Schicht und auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert sein kann, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen 615, 617, 637, 638, 639, 641 verbunden sind, wie allgemein im Stand der Technik bekannt. In der veranschaulichten Ausführungsform wird angenommen, dass der Abschnitt der Sinuserfassungsspule 610 und der veranschaulichten Kosinuserfassungsspule 605 schwarz ist, um auf der ersten Schicht der PCB-Struktur positioniert zu werden, und es wird angenommen, dass der in weiß veranschaulichte Abschnitt auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert ist. Jede der Sinuserfassungsspule 610 und der Kosinuserfassungsspule 605 des Spulenpaars 120 schließt einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn ein. Die Richtung des Stroms entlang des Signalpfads in der Sinuserfassungsspule 610 ändert sich bei den Kreuzungsdurchkontaktierungen 620, 622. Zum Beispiel ändert sich die Richtung des Stroms in der Sinuserfassungsspule 610 bei der Kreuzungsdurchkontaktierung 622 von gegen den Uhrzeigersinn 625 in den Uhrzeigersinn 630. Zusätzlich ändert sich die Stromrichtung entlang des einzelnen Pfades in der Kosinuserfassungsspule 605 bei den Kreuzungsdurchkontaktierungen 615, 617. Zum Beispiel ändert sich die Richtung des Stroms in der Kosinuserfassungsspule 605 von gegen den Uhrzeigersinn 627 in den Uhrzeigersinn 632 bei der Kreuzungsdurchkontaktierung 615. Während des Betriebs wird eine zeitveränderliche Spannung in dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 in Reaktion auf das zeitveränderliche Magnetfeld induziert, das in der Nähe des ersten planaren Erfassungsspulenpaars 120 durch die erste planare Erregerspule 110 und die Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 hergestellt wird. Das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 stellt ein moduliertes Sinussignal als Ausgabe von der Sinuserfassungsspule 610 und ein moduliertes Kosinussignal als Ausgabe von der Kosinuserfassungsspule 605 bereit. Das modulierte Sinussignal und das von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 erzeugte modulierte Kosinussignal werden von der in 1 gezeigten ersten integrierten Schaltung 130 erfasst. In dieser Ausführungsform werden die von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 120 bereitgestellten modulierten Signale als grobe Signale zum Bestimmen der Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 in Betracht gezogen.
In der veranschaulichten Ausführungsform von 4B schließt das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 eine Sinuserfassungsspule 640 und eine Kosinuserfassungsspule 645 ein, und jede der Sinuserfassungsspule 640 und der Kosinuserfassungsspule 645 können eine oder mehrere Wicklungswindungen einschließen. Die Wicklungswindungen der Sinuserfassungsspule 640 können auf einer ersten Schicht und auf einer zweiten Schicht eines PCB-Substrats positioniert sein, wobei die Wicklungswindungen durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen 901, 902, 905, 906, 909, 910, 913, 914, 917, 918, 921, 922, 925, 926, 927, 928, 931, 932, 937, 938, 941, 942, 945, 946, 948 verbunden sind, und die Kosinuserfassungsspule 645 kann auf der ersten Schicht und auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert sein, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht durch eine oder mehrere Durchkontaktierungen 903, 904, 907, 908, 911, 912, 915, 916, 919, 920, 923, 924, 929, 930, 933, 934, 935, 936, 939, 940, 943, 944, 947, 949, 950 verbunden sind, wie im Stand der Technik allgemein bekannt. In der veranschaulichten Ausführungsform wird angenommen, dass der Abschnitt der Sinuserfassungsspule 640 und der in schwarz veranschaulichten Kosinuserfassungsspule 645 auf der ersten Schicht der PCB-Struktur positioniert ist, und es wird angenommen, dass der in weiß veranschaulichte Abschnitt auf der zweiten Schicht des PCB-Substrats positioniert ist. Jede der Sinuserfassungsspule 640 und der Kosinuserfassungsspule 640 schließt einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn ein. Die Richtung des Stroms entlang des Signalpfads in der Sinuserfassungsspule 640 ändert sich bei den Kreuzungsdurchkontaktierungen 925, 926. Zum Beispiel ändert sich die Richtung des Stroms in der Sinuserfassungsspule 640 bei Kreuzungsdurchkontaktierung 925 vom Uhrzeigersinn in gegen den Uhrzeigersinn und ändert sich von gegen den Uhrzeigersinn in den Uhrzeigersinn bei Kreuzungsdurchkontaktierung 926. Zusätzlich ändert sich die Stromrichtung entlang des einzelnen Pfads in der Kosinuserfassungsspule 645 bei den Kreuzungsdurchkontaktierungen 933, 934. Zum Beispiel ändert sich die Richtung des Stroms in der Kosinuserfassungsspule 645 von gegen den Uhrzeigersinn in den Uhrzeigersinn bei der Kreuzungsdurchkontaktierung 934 und ändert sich bei der Kreuzungsdurchkontaktierung 933 Spulenpaar 115 vom Uhrzeigersinn in gegen den Uhrzeigersinn. Während des Betriebs wird eine zeitveränderliche Spannung in dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 in Reaktion auf das zeitveränderliche Magnetfeld induziert, das in der Nähe des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars 115 durch die zweite Erregerspule 105 und die Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 hergestellt wird. Das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 stellt ein moduliertes Sinussignal an einem ersten Ausgang 640 und ein moduliertes Kosinussignal an einem zweiten Ausgang 645 bereit. Das modulierte Sinussignal und das von dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 erzeugte modulierte Kosinussignal werden von der in 1 gezeigten zweiten integrierten Schaltung 135 erfasst. In dieser Ausführungsform werden die vom zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 115 bereitgestellten modulierten Signale als feine Signale zum Bestimmen der Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 in Betracht gezogen.
5 veranschaulicht eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Spulendesigns 300 eines Winkelpositionssensors gemäß der vorliegenden Erfindung. In der vorstehenden Ausführungsform, die in 2A und 2B veranschaulicht ist, wurden das Layout der Erregerspulen 105, 110, der Sensorspulen 115,120 und die Öffnungen 202, 204, 206, 208, 210, 212 des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 dazu ausgelegt, einen 60°-Sensor herzustellen. In der Ausführungsform von 5 sind das Layout der Erregerspulen 305, 310, der Sensorspulen 315, 320 und die Öffnungen 302, 304, 306, 308 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 (gezeigt in 6) zum Herstellen eines 90°-Sensors ausgelegt. Wie in 5 gezeigt, umfasst das Spulendesign 300 zwei ringförmige Sensoren 350, 360. Jeder der zwei ringförmigen Sensoren 350, 360 umfasst eine planare Erregerspule und eine planare Erfassungsspule. In Reaktion auf die Geometrie und Positionierung des drehbaren induktiven Kopplungselements stellt einer der zwei ringförmigen Sensoren 350, 360 ein grobes Winkelpositionsmesssignal bereit, und der andere ringförmige Sensor stellt ein feines Winkelpositionsmesssignal bereit.
In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform schließt das Spulendesign 300 des Winkelpositionssensors der vorliegenden Erfindung einen ersten ringförmigen Sensor 360, der eine erste planare Erregerspule 310 umfasst, die einen kreisförmigen Innenbereich bildet, und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar 320 ein, das innerhalb des kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule 310 gebildet wird. Jede planare Erfassungsspule des ersten planaren Erfassungsspulenpaars 320 schließt einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn ein. Das Spulendesign 300 des Winkelpositionssensors schließt zusätzlich einen zweiten ringförmigen Sensor 350, der eine zweite planare Erregerspule 305 umfasst, die positioniert ist, um die erste planare Erregerspule 310 zu umgeben, und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar 315 ein, das zwischen der ersten planaren Erregerspule 310 und der zweiten planaren Erregerspule 305 positioniert ist. Jede planare Erfassungsspule des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars 315 schließt einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn ein.
Das Spulendesign 300 des Winkelpositionssensors kann zusätzlich eine Schaltlogik 325 einschließen, die mit dem ersten ringförmigen Sensor 360 und dem zweiten ringförmigen Sensor 350 des Winkelpositionssensors gekoppelt ist. Die Schaltlogik 325 stellt ein Erregersignal an die erste planare Erregerspule 310 des ersten ringförmigen Sensors 360 und an den zweiten planaren Erreger 305 des zweiten ringförmigen Sensors 350 bereit und empfängt modulierte Sinus- und Kosinussignale von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 des ersten ringförmigen Sensors 360 und von dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 des zweiten ringförmigen Sensors 350 in Gegenwart eines drehbaren induktiven Kopplungselements, das üblicherweise als Ziel bezeichnet wird. Die Schaltlogik 325 stellt eine Eingangsspannung bereit, um die erste planare Erfassungsspule 310 bei einer ersten bestimmten Frequenz und in Gegenwart des drehbaren induktiven Kopplungselements, das das erste planare Erfassungsspulenpaar 320 überlagert, zu erregen, wobei die Schaltlogik 325 eine zeitveränderliche Spannung, die in dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 induziert wird, als ein moduliertes Sinus- und Kosinus-Ausgangssignal erfassen kann. Zusätzlich stellt die Schaltlogik 325 eine Eingangsspannung bereit, um die zweite planare Erregerspule 305 bei einer zweiten bestimmten Frequenz und in Gegenwart eines drehbaren Ziels zu erregen, das das zweite planare Erfassungsspulenpaar 315 überlagert, wobei die Schaltlogik 125 die in dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 induzierten modulierten Sinus- und Kosinussignale erfassen kann.
Ein beispielhafter ringförmiger Positionssensor 400 ist in 6A veranschaulicht, einschließlich des in 5 veranschaulichten Spulendesigns 300 und des drehbaren induktiven Kopplungselements 390, das in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 positioniert ist. Das drehbare induktive Kopplungselement 390 kann aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material hergestellt werden, welches Aluminium, Messing, Kupfer und Edelstahl sowie andere dem Fachmann bekannte nicht-ferromagnetische leitfähige Materialien einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist. Im Allgemeinen kann das drehbare induktive Kopplungselement 390 aus jedem Material hergestellt sein, das wirksam bei der Änderung der zeitveränderlichen Spannung ist, die in den Wicklungsabschnitten des ersten und des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars 320, 315 induziert wird, wenn es in dem zeitveränderlichen Magnetfeld in der Nähe der ersten und der zweiten planaren Erregerspule 310, 305 angeordnet wird. Das drehbare induktive Kopplungselement 390 ist über dem ersten (320) und dem zweiten (315) planaren Erfassungsspulenpaare positioniert und ist von dem ersten und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 320, 315 durch einen Spalt getrennt.
In der beispielhaften Ausführungsform von 6A schließt das drehbare induktive Kopplungselement 390 einen ersten ringförmigen Abschnitt 405 ein, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor 345 und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 340 umfasst. Das drehbare induktive Kopplungselement 390 schließt ferner einen zweiten ringförmigen Abschnitt 410 ein, der eine Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 umfasst. Der erste ringförmige Abschnitt 405 und der zweite ringförmige Abschnitt 410 sind durch einen dritten ringförmigen Abschnitt 407 verbunden. Der dritte ringförmige Abschnitt 407 besteht aus einem leitfähigen Ring von 360 °, der den ringförmigen leitfähigen Sektor 345 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 mit der Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324, 326 des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 verbindet, wodurch ein Pfad für Wirbelströme bereitgestellt wird, um zwischen dem ersten ringförmigen Abschnitt 405 zu dem zweiten ringförmigen Abschnitt 410 zu gelangen. Jeder der ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 ist im Wesentlichen gleichmäßig um den zweiten ringförmigen Abschnitt 410 herum beabstandet und durch einen jeweiligen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 302, 304, 306 bzw. 308 getrennt, d. h., der radiale Abschnitt jedes der leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 ist im Wesentlichen gleich, und die Winkeltrennung zwischen jedem der leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 ist im Wesentlichen gleich. Während in der in 6A gezeigten Ausführungsform der zweite ringförmige Abschnitt 410 in der darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt 405 in der darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 positioniert ist, ist dies nicht als einschränkend beabsichtigt. Dementsprechend wird es im Rahmen der vorliegenden Erfindung als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend erachtet, dass der zweite ringförmige Abschnitt 410 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt 405 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 positioniert ist.
In der in 6A veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform bestehen die ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 und des ringförmigen leitfähigen Sektors 345 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material. Außerdem sind die ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren 302, 304, 306 und 308 des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 und des ringförmigen nichtleitfähigen Sektors 340 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 Hohlräume in dem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der erste ringförmige Abschnitt 405 des ringförmigen Positionssensors 400 einen einzelnen ringförmigen leitfähigen Sektor 345, der sich radial von einer Längsachse des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 zu dem Beginn des dritten ringförmigen Abschnitts 407 erstreckt, wobei sich der dritte ringförmige Abschnitt 407 zu dem Beginn des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 erstreckt und der zweite ringförmige Abschnitt 410 des ringförmigen Positionssensors 400 vier ringförmige leitfähige Sektoren 320, 322, 324 und 326 umfasst. Der Winkel des ringförmigen leitfähigen Sektors 345 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 beträgt 180° und der Winkel des ringförmigen nichtleitfähigen Sektors 340 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 beträgt 180°. Außerdem kann der Winkel jedes der vier ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324 und 326 des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 optional 45° oder 67,5° betragen. Jeder der vier benachbarten ringförmigen leitfähigen Sektoren und ringförmige nichtleitfähige Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 bildet einen 90°-Sensor 480. Wenn zum Beispiel der ringförmige leitfähige Sektor 320 einen Winkel von 45° aufweist, dann weist der benachbarte ringförmige nichtleitfähige Sektor 302 einen Winkel von 45° auf, um den 90°-Sensor 480 herzustellen, und wenn der ringförmige leitfähige Sektor 320 einen Winkel von 67,5° aufweist, dann weist der benachbarte ringförmige nichtleitfähige Sektor 302 einen Winkel von 22,5° auf, um den 90°-Sensor 480 herzustellen. Die Winkel 45° oder 67,5° sollen in keiner Weise einschränkend sein, und andere Kombinationen können verwendet werden, ohne den Schutzumfang zu überschreiten.
Wenn der erste ringförmige Abschnitt 405 des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 in der darüberliegenden Beziehung zu dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 positioniert ist und der zweite ringförmige Abschnitt 410 des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 in einer darüberliegenden Beziehung zu dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 positioniert ist, wird ein 360°-Sensor mit einem ringförmigen leitfähigen Sektor 345 von 180° und einem ringförmigen, nichtleitfähigen Sektor 340 von 180° hergestellt und vier 90°-Sensoren 480, die jeweils einen ringförmigen leitfähigen Sektor 320 von 45° und einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 302 von 45° aufweisen, oder jeweils einen ringförmigen leitfähigen Sektor 320 von 67,5° und einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 302 von 22,5° aufweisen, werden hergestellt. Für jede Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 wird ein moduliertes Sinus- und Kosinussignal von dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 als Ausgabe bereitgestellt und vier modulierte Sinus- und Kosinussignale werden von dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 als Ausgabe bereitgestellt werden. Das durch die Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 über das erste planare Erfassungsspulenpaar 320 bereitgestellte modulierte Sinus- und Kosinussignal wird als das grobe Ausgangssignal bezeichnet und das durch die Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 über das zweite planare Erfassungsspulenpaar 315 bereitgestellte modulierte Sinus- und Kosinussignal werden als feine Ausgangssignale bezeichnet. Somit ist in der in 6A veranschaulichten Ausführungsform das Verhältnis von groben Ausgabesignalen zu feinen Ausgabesignalen 1:4 und vier Sinus- und Kosinuswellenformen werden von dem zweiten ringförmigen Abschnitt 410 für jede Sinus- und Kosinuswellenform bereitgestellt, die von dem ersten ringförmigen Abschnitt 405 für jede vollständige Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 bereitgestellt wird.
Die groben und feinen Sinus- und Kosinus-Wellenformen werden integriert, um die Auflösung des Winkelpositionssensors 400 zu verbessern. Zum Beispiel verbessert die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) zum Abtasten der integrierten Wellenformen die Auflösung des resultierenden digitalen Beispiels. Im Falle der Ausgabe eines Grob-zu-Fein-Verhältnisses von 1:4, wird die Auflösung um 2 Bits erhöht. Es wird darauf hingewiesen, dass dieses Verhältnis nicht einschränkend sein soll und das Grob-zu-Fein-Verhältnis auf kundenspezifischen Anforderungen basieren kann.
Außerdem soll, wenngleich der in 6A veranschaulichte ringförmige Positionssensor 400 nur einen ringförmigen leitfähigen Sektor 345 in dem ersten ringförmigen Abschnitt 405 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 einschließt, dies nicht einschränkend sein. Der erste ringförmige Abschnitt 405 kann mehrere ringförmige leitfähige Sektoren einschließen, und die leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 werden angemessen bestimmt. Während zum Beispiel die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 nicht beschränkt ist, wenn der erste ringförmige Abschnitt 405 nur einen ringförmigen leitfähigen Sektor umfasst, wenn der erste ringförmige Abschnitt 405 mehrere ringförmig leitfähige Sektoren umfasst, sollte die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts 410 vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts 410 sein, um überlappende Nullpunkte in den resultierenden Sinus- und Kosinussignalen zu vermeiden, die schwer zu unterscheiden sind, wenn die Ausgaben abgetastet werden. Wenn zum Beispiel 2 leitfähige Abschnitte in dem ersten ringförmigen Abschnitt 405 vorhanden sind, sollte die Anzahl der leitfähigen Abschnitte in dem zweiten ringförmigen Abschnitt 410 vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches von 2 sein.
Während des Betriebs des Winkelpositionssensors 400 führt, wenn das drehbare induktive Kopplungselement 390 innerhalb des zeitveränderlichen Magnetfeldes positioniert ist, das zwischen der ersten und der zweiten planaren Erregerspule 310, 305 und der ersten und der zweiten planaren Erfassungsspule 320, 315 des Winkelpositionssensors 400 hergestellt ist, führt eine Veränderung des Magnetfeldes zu dem Bereich, in dem die Wicklungsabschnitte der ersten und der zweiten planaren Erfassungsspule 320, 315 von den jeweiligen ringförmigen leitfähigen Abschnitten 320, 322, 324, 326 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 abgedeckt sind. Das Positionieren des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 innerhalb des Magnetfeldes induziert in dem drehbaren induktiven Kopplungselement 390 Wirbelströme, die das zeitveränderliche Magnetfeld im Bereich der Wicklungsabschnitte der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen 320, 315 dämpfen, die von den ringförmigen leitfähigen Abschnitte 320, 322, 324, 326, 345 des drehbaren induktiven Kopplungselements 350 abgedeckt sind. Infolge der Induktion von Wirbelströmen in den ringförmigen leitfähigen Abschnitten 320, 322, 324, 326, 345 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 wird die zeitveränderliche Spannung, die in den Wicklungen der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen 320, 315 induziert wird, die von den ringförmigen leitfähigen Abschnitten 320, 322, 324, 326, 345 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 abgedeckt sind, gedämpft und die zeitveränderliche Spannung, die in den Wicklungsabschnitten der ersten und zweiten planaren Erfassungsspulen 320, 315 induziert wird, die nicht von den ringförmigen leitfähigen Abschnitten 320, 322, 324, 326, 345 des drehbaren induktiven Kopplungselements 390 abgedeckt sind, d. h. diejenigen, die von einem der ringförmigen nichtleitfähigen Abschnitte 302, 304, 306, 308 und 340 abgedeckt werden, wird nicht gedämpft. Wie vorstehend angegeben, verbindet der dritte ringförmige Abschnitt 407 den ringförmigen leitfähigen Sektor 345 des ersten ringförmigen Abschnitts 405 mit der Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren 320, 322, 324, 326 des zweiten ringförmigen Abschnitts 410, wodurch ein Pfad für Wirbelströme bereitgestellt wird, um zwischen dem ersten ringförmigen Abschnitt 405 zum zweiten ringförmigen Abschnitt 410 zu gelangen, jedoch gibt es aufgrund der elektrischen Trennung zwischen dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 kein nennenswertes Übersprechen zwischen dem groben Sensor, der den ersten ringförmigen Abschnitt 405 umfasst, der über dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar 320 liegt, und dem feinen Sensor, der einen zweiten ringförmigen Abschnitt 410 umfasst, der über dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar 315 liegt.
In einer alternativen Ausführungsform, die in 6B gezeigt ist, kann ein erster ringförmiger Abschnitt 406 eines drehbaren induktiven Kopplungselements 391 mehrere ringförmige leitfähige Sektoren 321, 323, 325, 327 einschließen und durch ringförmige nichtleitfähige Sektoren 303, 307, 309, 311 getrennt sein, und ein zweiter ringförmiger Abschnitt 411 kann nur einen ringförmigen leitfähigen Sektor 346 einschließen. Die leitfähigen Sektoren 321, 323, 325, 327 des ersten ringförmigen Abschnitts 406 und des leitfähigen Sektors 346 des zweiten ringförmigen Abschnitts 411 sind durch einen dritten ringförmigen Abschnitt 408 verbunden, der ebenfalls leitfähig ist. Insbesondere kann jeder der ringförmigen leitfähigen Sektoren 321, 323, 325, 327 des ersten ringförmigen Abschnitts 406 des drehbaren induktiven Kopplungselements 391 einen Winkel von 45° aufweisen und der ringförmige leitfähige Sektor 346 des zweiten ringförmigen Abschnitts 411 kann einen Winkel von 180° aufweisen. Die Sensorspulenpaare unterschreiten den ersten ringförmigen Abschnitt 406 und den zweiten ringförmigen Abschnitt 411. Der dritte ringförmige Abschnitt 408 verbindet die Leitungsabschnitte 321, 323, 325, 327 der ersten ringförmigen Aussparung 406 miteinander und mit dem leitfähigen Sektor 346 des zweiten ringförmigen Abschnitts 411, wodurch ein Pfad für Wirbelströme bereitgestellt wird. Es gibt jedoch aufgrund der elektrischen Trennung zwischen planaren Erfassungsspulenpaaren kein nennenswertes Übersprechen zwischen dem groben Sensor, der den zweiten ringförmigen Abschnitt 411 umfasst, der über dem jeweiligen Erfassungsspulenpaar liegt, und dem feinen Sensor, der einen ersten ringförmigen Abschnitt 406 umfasst, der über dem jeweiligen planaren Erfassungsspulenpaar liegt.
7 veranschaulicht ein System 700 zum Verarbeiten der Ausgangssignale des in 1 und 2 veranschaulichten Winkelpositionssensors 200, wobei die x-Achse Drehungsgrade des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 darstellt und die y-Achse die Amplitude des empfangenen jeweiligen Signals darstellt. Wie gezeigt, erzeugt der erste ringförmige Sensor 160 des Winkelpositionssensors 200 während einer Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 einen Zyklus von Signalen Sinus 705 und Kosinus 710. Zusätzlich erzeugt der zweite ringförmige Sensor 150 des Winkelpositionssensors 200 während einer Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 sechs Zyklen von Signalen Sinus 715 und Kosinus 720. Die Signale des ersten ringförmigen Sensors 160 werden verwendet, um die grobe Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 aufzulösen, und die Signale des zweiten ringförmigen Sensors 150 werden verwendet, um die feine Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 aufzulösen. Die Signale Sinus 705 und Kosinus 710 signalisieren vom ersten ringförmigen Sensor 160 und die Signale Sinus 715 und Kosinus 720 signalisieren vom zweiten ringförmigen Sensor 150 und werden einem Mikroprozessor 725 bereitgestellt. Der Mikroprozessor 725 kann Analog-DigitalWandler (ADCS) 730 zum Umwandeln der analogen Sinus- und Kosinussignale in digitale Signale einschließen. Der Mikroprozessor kann ferner eine (ATTAN2) Schaltlogik 735 einschließen, um die Lichtbogentangente der digitalen Signale Sinus 705 und Kosinus 710 von dem ersten ringförmigen Sensor 160 zu entnehmen, um die grobe Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 zu berechnen, und die Lichtbogentangente der digitalen Signale Sinus 715 und Kosinus 720 von dem zweiten ringförmigen Sensor 150 zu entnehmen, um die feine Position des drehbaren induktiven Kopplungselements zu berechnen. Die grobe Position und die feine Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 können dann unter Verwendung eines Vernier-Algorithmus kombiniert werden, um die Position des drehbaren induktiven Kopplungselements 250 bereitzustellen. Im Allgemeinen stellen Winkelinformationen, die von dem ersten ringförmigen Sensor 160 bereitgestellt werden, grobe Winkelpositionsinformationen bereit, und Informationen, die vom zweiten ringförmigen Sensor 150 bereitgestellt werden, stellen feine Winkelpositionsinformationen bereit, die dann von einem Vernier-Algorithmus verarbeitet werden, um Positionsinformationen auszugeben. Hardware und Software zum Implementieren verschiedener anderer Algorithmen 740 können ebenfalls eingeschlossen sein. Durch Abtasten der Signale mit dem ADCS 730 und Berechnen der Lichtbogentangente der digitalisierten Sinus- und Kosinussignale, die von dem Winkelpositionssensor 200 bereitgestellt werden, erzeugt der Mikroprozessor 725 absolute Positionsinformationen des drehbaren induktiven Positionselements 250 als Ausgabe 750.
8A und 8B sind ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zum Erfassen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei Vorgang 805 von 8A schließt das Verfahren das Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem ersten ringförmigen Sensor ein, wobei der erste ringförmige Sensor eine erste planare Erregerspule und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule gebildet wird. Unter Bezugnahme auf 1 sind der erste ringförmige Sensor 160, umfassend die erste planare Erregerspule 110, das erste planare Erfassungsspulenpaar 120 und die erste integrierte Schaltung 130 der Schaltlogik 125 zum Herstellen einer magnetischen Kopplung in dem ersten ringförmigen Sensor 160 bereitgestellt.
Bei Vorgang 810 von 8A schließt das Verfahren das Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem zweiten ringförmigen Sensor ein, wobei der zweite ringförmige Sensor eine zweite planare Erregerspule und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die zweite planare Erregerspule gebildet wird, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben. Unter Bezugnahme auf 1 sind der zweite ringförmige Sensor 150, der die zweite planare Erregerspule 105, das zweite planare Erfassungsspulenpaar 115 und die zweite integrierte Schaltung 135 der Schaltlogik 125 zum Herstellen einer magnetischen Kopplung in dem zweiten ringförmigen Sensor 160 umfasst, bereitgestellt.
Bei Vorgang 815 von 8A wird das Verfahren durch Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor fortgesetzt, wobei das drehbare induktive Kopplungselement einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt umfasst, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts von einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts verschieden ist. Optional ist, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts ist und die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, dann die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts. Alternativ ist, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer als die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts ist und die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, dann die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts. Unter Bezugnahme auf 2 ist ein drehbares induktives Kopplungselement 250 in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor 160 und dem zweiten ringförmigen Sensor 150 positioniert. Das drehbare induktive Kopplungselement 250 schließt einen ersten ringförmigen Abschnitt 290, der einen ringförmigen leitfähigen Sektor 245 und einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor 240 umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt 294 ein, der sechs ringförmige leitfähige Abschnitte 220, 222, 224, 226, 228, 230 und sechs ringförmige nichtleitfähige Abschnitte 202, 204, 206, 208, 210, 212 umfasst, wobei jeder der ringförmigen nichtleitfähigen Abschnitte 202, 204, 206, 208, 210, 212 ringförmig zwischen jeweils zwei der ringförmigen leitfähigen Abschnitte 220, 222, 224, 226, 228, 230 positioniert ist.
Bei Vorgang 820 von 8B schließt das Verfahren das Drehen des drehbaren induktiven Kopplungselements ein, um grob auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die einer Anzahl von leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements entspricht, und um fein auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die der Anzahl von leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements entspricht. Unter Bezugnahme auf 7 sind die Signale Sinus 705 und Kosinus 710, die von dem ersten ringförmigen Sensor 160 erzeugt werden, um die grobe Winkelauflösung zu bestimmen, und die Signale Sinus 715 und Kosinus 720 veranschaulicht, die von dem zweiten ringförmigen Sensor 150 erzeugt werden, um die feine Winkelauflösung zu bestimmen.
Bei Vorgang 825 von 8B wird das Verfahren durch Bestimmen einer Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements unter Verwendung der grob auflösenden Sinus- und Kosinussignale und der fein auflösenden Sinus- und Kosinussignale beendet. Wie in 7 veranschaulicht, kann ein Mikroprozessor 725 verwendet werden, um die Winkelposition aus den Sinus- und Kosinussignalen zu bestimmen, die von dem Winkelpositionssensor 200 bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Algorithmus 740, wie ein Vernier-Algorithmus, in dem Mikroprozessor 725 implementiert sein, um kumulative Positionsinformationen zu berechnen, die aus den grob auflösenden Sinus- und Kosinussignalen und aus den fein auflösenden Sinus- und Kosinussignalen extrahiert werden. Im Allgemeinen werden die von den grob auflösenden Sinus- und Kosinussignalen bereitgestellten groben Positionsinformationen den feinen Positionsinformationen hinzugefügt, die von den fein auflösenden Sinus- und Kosinussignale bereitgestellt werden, um die tatsächliche Position des drehbaren induktiven Kopplungselements zu bestimmen.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen 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 Spalt zu ermöglichen. Der Spalt kann ein Luftspalt sein oder kann ein Vakuum oder einen fluidgefüllten Bereich umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein.
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.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen einen verbesserten, berührungslosen, induktiven Winkelpositionssensor bereit, der eine planare Spulenanordnung verwendet, die auf einer mehrschichtigen Leiterplatte (PCB) implementiert werden kann, um eine verbesserte Genauigkeit und Auflösung eines groben Ausgangssignals bereitzustellen, das mit einem feinen Ausgangssignal integriert 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

IN 202021/054245 [0001]
US 17/359694 [0001]

Claims

Winkelpositionssensor, umfassend: einen ersten ringförmigen Sensor; einen zweiten ringförmigen Sensor, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben; ein drehbares induktives Kopplungselement, das in einer darüberliegenden Beziehung zu und durch einen Spalt getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist, wobei das drehbare induktive Kopplungselement umfasst; einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst; und einen zweiten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts von einer Anzahl von leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts verschieden ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Sensor Folgendes umfasst: eine erste planare Erregerspule, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenbereich bildet; und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar, das innerhalb des kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine Kosinuserfassungsspule und eine Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule jeweils einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt im Gegenuhrzeigersinn umfasst.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der zweite ringförmige Sensor umfasst: eine zweite planare Erregerspule, die positioniert ist, um die erste planare Erregerspule zu umgeben; und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar, das zwischen der ersten planaren Erregerspule und der zweiten planaren Erregerspule positioniert ist, wobei das planare Erfassungsspulenpaar eine Kosinuserfassungsspule und eine Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als eine Anzahl von leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts ist und wobei, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer als eine Anzahl von leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts ist und wobei, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts und die ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements aus einem nicht-ferromagnetischen leitfähigen Material bestehen.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts und die ringförmigen nichtleitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements aus einem Material bestehen, das aus einem dielektrischen Material und Luft ausgewählt ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt und der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements durch einen dritten ringförmigen Abschnitt, der aus einem dielektrischen Material besteht, voneinander getrennt sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt und der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements kontinuierlich sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine ringförmige leitfähige Sektor des ersten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements eine Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren umfasst und wobei jeder der Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts im Wesentlichen gleichmäßig an dem ersten ringförmigen Abschnitt beabstandet ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements im Wesentlichen gleichmäßig um den zweiten ringförmigen Abschnitt beabstandet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine ringförmige leitfähige Sektor des ersten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements einen Prozentsatz einer Gesamtfläche des ersten ringförmigen Abschnitts umfasst, die von 50 % und 75 % ausgewählt ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine ringförmige leitfähige Sektor des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements einen Prozentsatz einer Gesamtfläche des zweiten ringförmigen Abschnitts umfasst, die von 50 % und 75 % ausgewählt ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements einen ringförmigen leitfähigen Sektor von 270° umfasst und wobei der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements sechs ringförmige leitfähige Sektoren von 30° umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig um den zweiten ringförmigen Abschnitt beabstandet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements einen ringförmigen leitfähigen Sektor von 270° umfasst und wobei der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements sechs ringförmige leitfähige Sektoren von 45° umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig um den zweiten ringförmigen Abschnitt beabstandet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements einen ringförmigen leitfähigen Sektor von 180° umfasst und wobei der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements vier ringförmige leitfähige Sektoren von 45° umfasst, die im Wesentlichen gleichmäßig um den zweiten ringförmigen Abschnitt beabstandet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor positioniert ist und der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei die erste Erregerspule und die zweite Erregerspule jeweils einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfassen.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Sensor eine erste planare Erregerspule umfasst, die einen kreisförmigen Innenbereich und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar bildet, das innerhalb des kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der jeweiligen Kosinuserfassungsspule und der jeweiligen Sinuserfassungsspule des ersten planaren Erfassungsspulenpaars einen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst und der zweite ringförmige Sensor eine zweite planare Erregerspule umfassen, die zwischen der ersten planaren Erregerspule und der zweiten planaren Erregerspule positioniert ist, wobei das zweite planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der jeweiligen Kosinuserfassungsspule und der jeweiligen Sinuserfassungsspule des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst, wobei der Winkelpositionssensor ferner Folgendes umfasst: Schaltlogik, die mit der ersten planaren Erregerspule, der zweiten planaren Erregerspule, dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar gekoppelt ist, wobei die Schaltlogik dient zum; Bereitstellen eines Erregersignals an die erste planare Erregerspule und die zweite planare Erregerspule, um ein Wechselstrom-Magnetfeld (AC-Magnetfeld) zu erzeugen; Erfassen von modulierten Sinus- und Kosinus-Wellenformen, die in dem ersten planaren Erfassungsspulenpaar und dem zweiten planaren Erfassungsspulenpaar als Reaktion auf eine Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements induziert werden.
Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem ersten ringförmigen Sensor, wobei der erste ringförmige Sensor eine erste planare Erregerspule und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar umfasst, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der jeweiligen Kosinuserfassungsspule und der jeweiligen Sinuserfassungsspule des ersten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst; Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem zweiten ringförmigen Sensor, wobei der zweite ringförmige Sensor eine zweite planare Erregerspule und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar umfasst, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben, wobei das zweite planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst; Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor, wobei das drehbare induktive Kopplungselement einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt umfasst, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts von einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts verschieden ist; Drehen des drehbaren induktiven Kopplungselements, um grob auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die gleich einer Anzahl ringförmiger leitfähiger Sektoren eines ersten ringförmigen Abschnitts und des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements ist, und um fein auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die gleich einer Anzahl ringförmiger leitfähiger Sektoren eines zweiten von dem ersten ringförmigen Abschnitt und dem zweiten ringförmigen Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements ist; und Bestimmen einer Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements unter Verwendung der grob auflösenden Sinus- und Kosinussignale und der fein auflösenden Sinus- und Kosinussignale.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die zweite planare Erfassungsspule innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die zweite planare Erregerspule gebildet wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren induktiven Kopplungselements, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem ersten ringförmigen Sensor, wobei der erste ringförmige Sensor eine erste planare Erregerspule und ein erstes planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die erste planare Erregerspule gebildet ist, wobei das erste planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der jeweiligen Kosinuserfassungsspule und der jeweiligen Sinuserfassungsspule des ersten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst; Herstellen einer magnetischen Kopplung in einem zweiten ringförmigen Sensor, wobei der zweite ringförmige Sensor eine zweite planare Erregerspule und ein zweites planares Erfassungsspulenpaar umfasst, das innerhalb eines kreisförmigen Innenbereichs positioniert ist, der durch die zweite planare Erregerspule gebildet ist, wobei der zweite ringförmige Sensor positioniert ist, um den ersten ringförmigen Sensor zu umgeben, wobei das zweite planare Erfassungsspulenpaar eine jeweilige Kosinuserfassungsspule und eine jeweilige Sinuserfassungsspule umfasst, wobei jede der Kosinuserfassungsspule und der Sinuserfassungsspule des zweiten planaren Erfassungsspulenpaars einen jeweiligen Wicklungsabschnitt im Uhrzeigersinn und einen jeweiligen Wicklungsabschnitt gegen den Uhrzeigersinn umfasst; Positionieren eines drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüberliegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor und dem zweiten ringförmigen Sensor, wobei das drehbare induktive Kopplungselement einen ersten ringförmigen Abschnitt, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und einen zweiten ringförmigen Abschnitt umfasst, der mindestens einen ringförmigen leitfähigen Sektor und mindestens einen ringförmigen nichtleitfähigen Sektor umfasst, und wobei eine Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts von einer Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts verschieden ist; Drehen des drehbaren induktiven Kopplungselements, um grob auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die gleich einer Anzahl ringförmiger leitfähiger Sektoren eines ersten ringförmigen Abschnitts und des zweiten ringförmigen Abschnitts des drehbaren induktiven Kopplungselements ist, und um fein auflösende Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, die eine Anzahl von Zyklen pro Drehung des drehbaren induktiven Kopplungselements aufweisen, die gleich einer Anzahl ringförmiger leitfähiger Sektoren eines zweiten von dem ersten ringförmigen Abschnitt und dem zweiten ringförmigen Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements ist; und Bestimmen einer Winkelposition des drehbaren induktiven Kopplungselements unter Verwendung der grob auflösenden Sinus- und Kosinussignale und der fein auflösenden Sinus- und Kosinussignale.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor positioniert ist, und der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der zweite ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem ersten ringförmigen Sensor positioniert ist und der erste ringförmige Abschnitt des drehbaren induktiven Kopplungselements in einer darüber liegenden Beziehung zu und getrennt von dem zweiten ringförmigen Sensor positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als die Anzahl von ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts ist und wobei, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts größer ist als die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts, und wobei, wenn die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts größer als eins ist, die Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des ersten ringförmigen Abschnitts kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der ringförmigen leitfähigen Sektoren des zweiten ringförmigen Abschnitts ist.