DE19941464A1 - Induktiver Positionssensor - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein induktiver Positionssensor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Oszillatorschaltung, die ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt und in eine Erregerspule einkoppelt, mit mehreren Empfangsspulen, die jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur ausbilden und deren Anordnung insgesamt eine Empfangsgeometrie ausbildet, mit einer Auswerteschaltung zur Auswertung der in den Empfangsspulen induzierten Signale und mit einem beweglichen induktiven Koppelelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und den Empfangsspulen beeinflußt, wobei der Positionssensor zwei Empfangsgeometrien und zwei Koppelelemente aufweist, die Periodizität der Schleifenstrukturen der Empfangsspulen in den beiden Empfangsgeometrien verschieden ist und über den Gesamtmeßbereich des Positionssensors die Anzahlen der periodischen Wiederholungen in den Schleifenstrukturen der Empfangsspulen der beiden Empfangsgeometrien zueinander in einem nichtganzzahligen Verhältnis stehen. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Positionssensor zeichnet sich durch eine sehr hohe Auflösung und Meßgenauigkeit aus.
Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor, insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, mit einer Oszillatorschaltung, die ein periodisches
Wechselspannungssignal erzeugt und in eine Erregerspule einkoppelt, mit mehreren
Empfangsspulen, die jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur
ausbilden und deren Anordnung insgesamt eine Empfangsgeometrie ausbildet, mit
einer Auswerteschaltung zur Auswertung der in den Empfangsspulen induzierten
Signale, und mit einem beweglichen induktiven Koppelelement, welches die Stärke
der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und den Empfangsspulen
beeinflußt.
Ein solcher Positionssensor ist in der nicht vorveröffentlichenten Patentanmeldung
DE 199 17 240 beschrieben.
Bei der Erfassung von Winkeln oder Wegen werden bei verschiedenen
Applikationen hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung gestellt.
Der in der Patentanmeldung DE 199 17 240 dargestellte Positionssensor erreicht
bei ca. 0,2% Genauigkeit seine Grenze. Bei Verwendung desselben Sensorprinzips
soll eine Verbesserung der Sensordaten um den Faktor 10 erzielt werden. Eine
Möglichkeit zur Erhöhung der Genauigkeit ist es, das aus der Meßtechnik allgemein
bekannte Noniusprinzip zu verwenden. Dazu müssen bei der Induktivsensorik im
Prinzip zwei separate Sensoren mit unterschiedlicher Teilung aufgebaut werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine induktiven Positionssensor zu schaffen, der
auf einfache und kostengünstige Weise eine besonders präzise Erfassung von
Winkeln oder Wegen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Positionssensor zwei
Empfangsgeometrien und zwei Koppelelemente aufweist; daß die Periodizität der
Schleifenstrukturen der Empfangsspulen in den beiden Empfangsgeometrien
verschieden ist, und daß über den Gesamtmeßbereich des Positionssensors die
Anzahlen der periodischen Wiederholungen in den Schleifenstrukturen der
Empfangsspulen der beiden Empfangsgeometrien zueinander in einem
nichtganzzahligen Verhältnis stehen.
Die in den Unteransprüchen dargestellten Ausgestaltungen und Weiterbildungen
ermöglichen vorteilhafterweise sogar die absolute Erfassung von Winkeln < 360°,
sowie darüber hinaus sogar die Erfassung von Drehmomenten.
Im folgenden werden das Funktionsprinzig sowie Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen induktiven Positionssensors anhand der Zeichnung dargestellt
und in seiner Funktionsweise näher erläutert. Die anhand von Winkelsensoren
dargestellten Prinzipien sind dabei ebenso auf Linearsensoren anwendbar.
Das in der Fig. 1 dargestellte Beispiel zeigt eine hochpräzise Winkelsensorik für
eine 360°-Erfassung. Dabei hat der Sensor 1 hat eine Winkelperiodizität von 30°
(360°/12), der Sensor 2 demgegenüber eine Winkelperiodizität von 32,72°
(360°/11).
Aus den Verhältnissen des Sensorsignals 1 und Sensorsignals 2 kann der absolute
Winkel zwischen 0 und 360° berechnet werden. Die gewünschte Erhöhung der
Genauigkeit resultiert daraus, daß die 30°, wie oben beschrieben, jeweils mit einer
Genauigkeit von 0,2 . . . 0,3% erfaßt werden, jetzt aber ein absoluter Winkel von
360° erfaßt werden kann. Auf die 360° bezogen ergibt sich damit eine Genauigkeit
von 0,0167 . . . 0,025%.
Nun ist es recht aufwendig zwei unabhängige Sensoren aufzubauen und es ist die
Frage zu stellen, wie dieser Aufbau vereinfacht werden kann. Zum Beispiel wäre es
vorteilhaft wenn beide Statoren (Empfangsgeometrien) in einer Ebene
zusammengefaßt werden könnten. In diesem Fall ist aber zu erwarten, daß sich die
Magnetfelder der beiden Rotoren (Koppelelemente) gegenseitig beeinflussen, was
letztendlich zu einem nicht bzw. nur schwierig auswertbaren Verhalten der
Sensoren führen könnte. Untersuchungen mit verschiedenen Geometrien zeigen
jedoch, daß trotzdem ein sinnvolles Sensorverhalten möglich ist. Dies soll an
folgendem Beispiel verdeutlicht werden.
Anhand der Fig. 2 wirdt wird eine 90°-Empfangsgeometrie betrachtet, die mit einem
120°-Rotor betrieben wird.
Das vom Rotor in die Empfangsspule eingekoppelte Magnetfeld führt zu einer
Signalspannungsamplitude an der Empfangsspule die proportional dem Ausdruck
∫BrdA ist (Br: vom Rotor hervorgerufene Magnetfeldstärke in der Empfangsspule, A:
Fläche der Empfangsspule). Man kann nun zeigen, daß dieses Integral
näherungsweise unabhängig von der relative Stellung des Rotors zum Stator ist.
Anschaulich läßt sich dies dadurch verdeutlichen, daß die positiv zu zählenden
Anteile des Integrals ebenso groß sind wie die negativ zu zählenden Anteile.
Eine vergleichbare Betrachtung für eine 120°-Empfangsgeometrie die mit einem
90°-Rotor betrieben wird, führt zu demselben Ergebnis. Da für die Überlagerung der
Magnetfelder das Superpositionsprinzip angewendet werden kann, bedeutet dies,
daß es möglich ist, mehrere Sensorstrukturen mit unterschiedlichen Winkeln
ineinander zu verschachteln.
Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in der Fig. 3 dargestellt. Im Stator
werden zwei Empfangsspulen mit unterschiedlichen Winkeln (z. B. 120° und 90°)
realisiert. Der Rotor wird aus zwei Einzelrotoren (in diesem Beispiel 120° und 90°)
aufgebaut, die direkt übereinander liegen können. Da, wie oben ausgeführt, der
120°-Rotor die 90°-Empfangsgeometrie und der 90°-Rotor die
120°-Empfangsgeometrie nicht störend beeinflußt, erhalten wir an den
Empfangsspulen zwei unabhängige Winkelinformationen, wie es das Noniusprinzip
erfordert. Es ist damit also möglich einen sehr einfachen Sensor aufzubauen, der
die gewünschten Resultate liefert.
Es sind für unterschiedliche Applikationen folgende Varianten möglich:
Zwei Empfangsspulensätze mit verschiedenen Winkelperiodizitäten sind
(näherungsweise) in einer Ebene angeordnet, zwei Rotoren mit entsprechenden
unterschiedlicher Periodizitäten befinden sich (näherungsweise) in einer zweiten
Ebene.
Zwei Empfangsspulensätze mit unterschiedlichen Winkelperiodizitäten befinden sich
(näherungsweise) in einer Ebene, zwei Rotoren mit unterschiedlichen
Winkelperiodizitäten, ein Rotor davon mit einer geeigneten Getriebeübersetzung.
Zwei Empfangsspulensätze mit unterschiedlichen Winkelperiodizitäten sind
(näherungsweise) in einer Ebene angeordnet, ein Rotor an einem Ende eines
Torsionselements, ein zweiter Rotor am gegenüberliegenden Ende des
Torsionselements. Das Drehmoment kann über eine Differenzmessung erfaßt
werden.
Claims (6)
1. Induktiver Positionssensor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer
Oszillatorschaltung, die ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt
und in eine Erregerspule einkoppelt, mit mehreren Empfangsspulen, die
jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur ausbilden und
deren Anordnung insgesamt eine Empfangsgeometrie ausbildet, mit einer
Auswerteschaltung zur Auswertung der in den Empfangsspulen induzierten
Signale, und mit einem beweglichen induktiven Koppelelement, welches die
Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und den
Empfangsspulen beeinflußt,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Positionssensor zwei Empfangsgeometrien und zwei Koppelelemente aufweist,
- - daß die Periodizität der Schleifenstrukturen der Empfangsspulen in den beiden Empfangsgeometrien verschieden ist, und
- - daß über den Gesamtmeßbereich des Positionssensors die Anzahlen der periodischen Wiederholungen in den Schleifenstrukturen der Empfangsspulen der beiden Empfangsgeometrien zueinander in einem nichtganzzahligen Verhältnis stehen.
2. Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Koppelelemente näherungsweise in einer Ebene angeordnet sind.
3. Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Empfangsgeometrien näherungsweise in einer Ebene angeordnet
sind.
4. Induktiver Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Koppelelemente auf gegenüberliegenden Seiten der Empfangsgeometrien
angeordnet sind.
5. Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eines der Koppelelemente über ein Getriebe angetrieben wird.
6. Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteschaltung die Informationen der einzelnen Empfangsspulensätze
zur Plausibilitätskontrolle auswertet.
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