DE202006008962U1

DE202006008962U1 - Position generator for detecting the position of the rotor of an engine based on a change in the inductance of an inductive component dependent on movement

Info

Publication number: DE202006008962U1
Application number: DE200620008962
Authority: DE
Original assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Current assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2016-06-08

Abstract

The system has a generator structure attached to and moveable with the rotor (2), and a fixed position sensor arrangement (4) opposite the generator structure. This provides a sensor signal (9) from which the rotor position can be derived. The sensor arrangement has a first inductive component. The generator structure is formed to evoke a movement dependent change in inductance of the inductive component.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Erfassen einer Lage eines Läufers, etwa eines Rotors einer Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, mit einer Geberstruktur, die an dem Läufer angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung, die der Geberstruktur gegenüber ist und die wenigstens ein Sensorsignal zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist.The The present invention relates to a system for detecting a ply a runner, about a rotor of a machine, in particular an electric Machine, with a transmitter structure attached to the rotor and with this is movable, and a positionally fixed sensor assembly, the Donor structure opposite is and which provides at least one sensor signal, from which the position derivable is.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Gattung ist aus der Druckschrift WO 02/084849 A1 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Anordnung besitzt einen an dem Rotor angebrachten Ring, der einzelne Segmente aufweist, die abwechselnd magnetisierbar sind. Den magnetisierbaren Ringelementen gegenüber sind drehfest aufgenommene Magnetsensorelemente vorgesehen. Der Induktionsverlauf in den einzelnen Segmenten des magnetisierbaren Sensorringes bewirkt eine Wechselummagnetisierung an den Sensorelementen, wobei um einen elektrischen Winkel verschobene Signalkurven der Sensorelemente erzeugt werden, aus welchen sich analoge Signale errechnen lassen, mit denen eine Beschreibung der Winkellage des Rotors möglich ist.A Device and a method of the above type is out the document WO 02/084849 A1. The in this document described arrangement has a ring attached to the rotor, having individual segments which are alternately magnetizable. The magnetizable ring elements opposite are rotatably received Magnetic sensor elements provided. The induction course in the individual Segments of the magnetizable sensor ring causes a Wechselummagnetisierung at the sensor elements, wherein shifted by an electrical angle Signal curves of the sensor elements are generated from which analog signals can be calculated, with which a description of the Angular position of the rotor possible is.

Da der bekannte Sensor auf einem magnetischen Messprinzip beruht, ist er entsprechend empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern. Dies ist insbesondere dann ein Nachteil, wenn der Sensor beispielsweise im Automobilbereich eingesetzt werden soll, wo er harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und hohe Motorströme bis 1.000 Ampere auftreten.There the known sensor is based on a magnetic measuring principle is he accordingly sensitive to magnetic and electrical interference. This is particularly a disadvantage when the sensor, for example to be used in the automotive sector, where he harsh environmental conditions is exposed and high motor currents up to 1,000 amps occur.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Erfassen der Lage eines Läufers, etwa eines Rotors und ein zugehöriges Messverfahren zur Verfügung zu stellen, welche weniger empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern sind.It It is therefore an object of the present invention to provide a system for Detecting the position of a runner, about a rotor and an associated measurement method to disposal which are less sensitive to magnetic and electrical interference fields are.

Diese Aufgabe wird durch ein System der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die Sensoranordnung eine erste induktive Komponente aufweist, und die Geberstruktur ausgebildet ist, eine bewegungsabhängige Änderung einer Induktivität der induktiven Komponente hervorzurufen.These Task is solved by a system of the type mentioned above, at to which the sensor arrangement has a first inductive component, and the encoder structure is formed, a motion-dependent change an inductance of Induce inductive component.

Wenn die Geberstruktur relativ zur Sensoranordnung bewegt wird, aufgrund einer Bewegung des Läufers, der in speziellen Ausführungsformen den Rotor einer elektrischen Maschine repräsentiert, ändern sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur das Verhalten der wenigstens einen Induktivität der Sensoranordnung, so dass bei geeigneter Ansteuerung der Sensoranordnung die Amplitude und/oder Phase und/oder Frequenz des Ausgangssignals entsprechend geändert werden. Somit können im erfindungsgemäßen System, im Gegensatz zu der bekannten Technik, die Wirbelstromverluste der Geberstruktur, wenn diese zumindest teilweise aus einem leitenden Material aufgebaut ist, zur Beeinflussung des Sensorsignals der Sensoranordnung ausgenutzt werden, so dass das verwendete System gegenüber bekannten magnetischen Messverfahren wesentlich störfester im Hinblick auf elektromagnetische Einflüsse ist.If the encoder structure is moved relative to the sensor arrangement, due a movement of the runner, in special embodiments the Rotor of an electric machine represents change in dependence from the position of the donor structure the behavior of at least an inductance the sensor arrangement, so that with suitable control of the sensor arrangement the amplitude and / or phase and / or frequency of the output signal changed accordingly become. Thus, you can in the system according to the invention, in contrast to the known technique, the eddy current losses of Encoder structure, if this at least partially from a conductive Material is constructed to influence the sensor signal of the Sensor arrangement are exploited, so that the system used across from known magnetic measurement significantly less interference with regard to electromagnetic influences.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Geberstruktur eine sich periodisch winkelabhängig verändernde Struktur auf. Auf diese Weise kann die Sensoranordnung ein sich periodisch veränderliches Signal ausgeben, aus welchem leicht die Winkellage erkennbar ist.According to one advantageous embodiment of the present invention, the transmitter structure is a periodic angle dependent changing structure on. In this way, the sensor arrangement can become periodically mutable Output signal, from which easily the angular position is recognizable.

Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die sich verändernde Struktur sinusförmig ist. Entsprechend wird die Sensoranordnung in Nachbildung der Sinusspur der Geberstruktur bedämpft, wodurch die Position der Geberstruktur besonders günstig ausgewertet werden kann. In anderen Ausführungsformen werden anderer „Dämpfungsmuster" durch die Geberstruktur nachgebildet, etwa eine Dreiecksstruktur, eine zumindest teilweise rechteckförmig ausgebildete Struktur, etc. Generell können andere Formen verwendet werden, die eine eindeutige Zuordnung einer durch die Induktivitätsänderung hervorgerufenen Signaländerung und der Lage des Läufers ermöglicht.there it is particularly advantageous if the changing structure is sinusoidal. Accordingly, the sensor arrangement in replica of the sinusoidal track the encoder structure dampens, whereby the position of the encoder structure evaluated particularly favorable can be. In other embodiments other "damping pattern" by the encoder structure modeled, such as a triangular structure, one at least partially rectangular educated structure, etc. Generally, other shapes can be used be a unique assignment of one by the inductance change caused signal change and the location of the runner allows.

Die Geberstruktur kann vorzugsweise auf einem Ring radial innen oder außen an dem Rotor vorgesehen sein. Bei dieser Anordnung kann sich die Periode der Winkelerfassung im Verlauf einer mechanischen Umdrehung des Rotors, im Falle einer Maschine mit Rotor, immer wieder wiederholen. Ist die Geberstruktur innen an dem Rotor befestigt, ist es sinnvoll, die Sensoranordnung innen gegenüber der Geberstruktur anzuordnen. Umgekehrt wird sich die Sensoranordnung typischerweise außerhalb des Rotors befinden, wenn die Geberstruktur außen an dem Rotor angeordnet ist.The Encoder structure may preferably be on a ring radially inside or Outside be provided on the rotor. With this arrangement, the period may be the angle detection in the course of a mechanical revolution of the Rotor, in the case of a machine with rotor, repeat again and again. If the encoder structure is attached to the inside of the rotor, it makes sense the sensor arrangement inside opposite to arrange the encoder structure. Conversely, the sensor arrangement typically outside of the rotor are located when the encoder structure is arranged on the outside of the rotor is.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Geberstruktur axial an dem Rotor vorzusehen. Entsprechend kann dann eine Sensoranordnung beliebiger Bauform axial zum Rotor angeordnet werden.It However, there is also the possibility to provide the encoder structure axially on the rotor. Accordingly then arranged a sensor assembly of any design axially to the rotor become.

Entsprechend einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens ein Sensorsystem mit zwei Resonanzkreisen auf, die von einer Wechselspannungsquelle gespeist werden und die induktive Komponenten aufweisen, die in einem Zustand mit Bedämpfung oder Beeinflussung der Induktivität durch die Geberstruktur eine Positionsinformation enthaltende Ausgangssignale besitzen. Von den Resonanzkreisen ist eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudendifferenz abgreifbar, welche sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur ändert. Dabei ist die Genauigkeit des Sensorsystems von den Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle und den Bauteilen der Resonanzkreise bestimmt, wodurch bei entsprechender Qualität der Bauteile eine gute Funktionalität des Systems bereitgestellt werden kann. Die Resonanzkreise können als Reihenschwingkreise oder als Parallelschwingkreise vorgesehen werden.According to an advantageous variant of the invention, the sensor arrangement has at least one sensor system with two resonant circuits which are fed by an AC voltage source and which have inductive components which, in a state with damping or influencing of the inductance by the encoder structure, output signals containing position information have. From the resonant circuits a phase shift and / or an amplitude difference can be tapped, which changes depending on the position of the encoder structure. The accuracy of the sensor system is determined by the component tolerances of the AC voltage source and the components of the resonant circuits, whereby a good functionality of the system can be provided with appropriate quality of the components. The resonant circuits can be provided as series resonant circuits or as parallel resonant circuits.

In anderen Ausführungsformen werden induktive Komponenten der Sensoranordnung als Komponenten zugehöriger Oszillatoren verwendet und der Frequenzunterschied der Oszillatoren, der durch die Induktivitätsänderung entsteht, wird ausgewertet, um die gewünschte Positionsinformation zu erhalten.In other embodiments become inductive components of the sensor arrangement as components associated Used oscillators and the frequency difference of the oscillators, by the inductance change arises, is evaluated to the desired position information to obtain.

In einem besonders günstigen Beispiel der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens zwei gleiche, zueinander mechanisch versetzte Sensorsysteme der oben beschriebenen Art auf. Durch die zueinander mechanisch versetzten Sensorsysteme können zueinander zeitlich versetzte Signale gleicher Form entsprechend unterschiedlicher Positionen der Geberstruktur generiert werden, welche dazu dienen, die Absolutposition der Geberstruktur genau festzustellen.In a particularly favorable Example of the invention, the sensor arrangement comprises at least two same, mutually mechanically offset sensor systems of the above described type. By mechanically offset to each other Sensor systems can mutually time-shifted signals of the same shape accordingly different positions of the donor structure are generated, which serve the exact position of the donor structure exactly determine.

Entsprechend einer günstigen Variante der Erfindung sind die Sensorsysteme der Sensoranordnung räumlich nahe zueinander angeordnet. Hiermit kann ein Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Rotors und der daran befindlichen Geberstruktur über eine möglichst gleiche Änderung der Sensorausgangssignale eliminiert werden.Corresponding a cheap one Variant of the invention are the sensor systems of the sensor arrangement spatial arranged close to each other. This can be a rash or an imbalance of the rotor and the encoder structure located thereon over as far as possible same change the sensor output signals are eliminated.

Vorteilhafterweise ist der Sensoranordnung eine Schaltung nachgeordnet, die das wenigstens eine Sensorsignal in ein die Positionsinformation enthaltendes Signal am Schaltungsausgang umwandelt. Mit Hilfe der Schaltung können die von der Sensoranordnung gemessenen Phasendifferenzen und/oder Amplitudendifferenzen und/oder Frequenzdifferenzen in ein Signal umgewandelt werden, das gegebenenfalls direkt die zu erfassende Winkellage wiedergibt.advantageously, the sensor arrangement is followed by a circuit which at least one Sensor signal in a signal containing the position information at the circuit output. With the help of the circuit, the measured by the sensor arrangement phase differences and / or amplitude differences and / or frequency differences are converted into a signal that where appropriate, directly reflects the angular position to be detected.

Es ist in einigen Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die Schaltung symmetrische Kanäle zum Abgreifen und Verarbeiten von Sensorsignalen der Sensoranordnung aufweist. Wenn die von der Sensoranordnung ausgegebenen Signale in ihrer Form gleich sind, kann durch die symmetrische Anordnung der Schaltungskanäle eine gleiche Verarbeitung der Sensorsignale gewährleistet werden. Damit können die verarbeiteten Sensorsignale zu einem hochgenauen Ausgangssignal verarbeitet werden.It is in some embodiments advantageous if the circuit symmetrical channels for tapping and processing having sensor signals of the sensor arrangement. If that of the Sensor arrangement output signals are the same in shape, can by the symmetrical arrangement of the circuit channels a same processing of sensor signals can be ensured. So that can processed sensor signals to a highly accurate output signal are processed.

In einigen Ausführungsformen sind die Sensorsysteme zueinander versetzt, insbesondere um 90°, angeordnet. Dadurch kann beispielsweise bei entsprechender Ausbildung der Geberanordnung ein Sinus- und ein Kosinussignal generiert werden.In some embodiments are the sensor systems offset from one another, in particular by 90 °, arranged. As a result, for example, with appropriate training of the encoder assembly a sine and a cosine signal are generated.

Günstigerweise liegt die Frequenz der Wechselspannungsquelle, die zur Schwingungserzeugung in der Sensoranordnung eingesetzt wird, zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz. In diesem Bereich kann die Sensoranordnung besonders gut durch die Wirbelstromverluste der Geberstruktur beeinflusst werden.conveniently, is the frequency of the AC source that is used for vibration generation in the sensor arrangement is used, between about 500 kHz and about 5 MHz. In this area, the sensor arrangement can be particularly good be influenced by the eddy current losses of the encoder structure.

Die Resonanzkreise sind in einigen Ausführungsformen auf die Frequenz der Wechselspannungsquelle abgestimmt sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Resonanzkreise im Hinblick auf Fertigungstoleranzen abgleichen lassen, um eine hohe Auswerteempfindlichkeit erreicht werden, wobei die Betriebsfrequenz an eine geeignete Position in der Nähe der Resonanzfrequenzen für die bedämpfte Sensoranordnung gelegt wird.The Resonant circuits are frequency in some embodiments the AC voltage source are tuned. This can be achieved be that the resonant circuits in terms of manufacturing tolerances can be adjusted to achieve a high evaluation sensitivity be with the operating frequency to a suitable position in nearby the resonance frequencies for the damped Sensor arrangement is placed.

Es ist besonders von Vorteil, wenn das die Positionsinformation enthaltende Signal ein Sinussignal und ein Kosinussignal aufweist und ein Rechenmodul nachgeordnet ist, das aus dem Sinussignal und dem Kosinussignal eine Arcustangensfunktion berechnet. Diese kann die Winkellage direkt wiedergeben.It is particularly advantageous when containing the position information Signal has a sine signal and a cosine signal and a computing module downstream of the sine signal and the cosine signal calculates an arctangent function. This can be the angular position directly play.

Somit kann eine Lage eines Läufers einer Maschine effizient erfasst werden. Dazu wird die Induktivität einer Sensoranordnung durch Lageänderung einer mit dem Läufer gekoppelten Geberanordnung geändert und die Induktivitätsänderung der Sensoranordnung wird erfasst. Ferner wird eine Lage des Läufers auf der Grundlage der erfassten Induktivitätsänderung ermittelt.Consequently may be a location of a runner a machine are detected efficiently. For this purpose, the inductance of a Sensor arrangement by change of position one with the runner changed coupled encoder arrangement and the inductance change the sensor arrangement is detected. Further, a position of the runner on determined based on the detected inductance change.

Diese nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Technik ermöglicht eine weitgehende Unempfindlichkeit der Läuferlageerfassung gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern.These According to the eddy current principle working technique allows a extensive insensitivity of the rotor position detection to magnetic and electrical interference fields.

Die Änderung der Induktivität kann durch eine Phasendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst werden.The change the inductance can be due to a phase difference between two oscillating sensor systems the sensor arrangement are detected.

Dadurch kann eine effiziente Auswertung, beispielsweise auf der Grundlage von Resonanzkreisen in der Sensoranordnung, erfolgen, wobei die ortsabhängigen Wirbelstromverluste in der Geberanordnung präzise ausgewertet werden können. Dazu kann die Auswertung auf der Grundlage eines analogen Signals mit entsprechenden Phasendifferenzen bewerkstelligt werden.Thereby can be an efficient evaluation, for example based on resonant circuits in the sensor array, carried out, wherein the location-dependent eddy current losses precise in the encoder arrangement can be evaluated. This can be done on the basis of an analog signal be accomplished with corresponding phase differences.

Die Änderung der Induktivität kann durch eine Amplitudendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst werden.The change of inductance can be through an amplitude difference of two oscillating sensor systems of the sensor arrangement are detected.

Die Änderung der Induktivität kann durch eine Frequenzdifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst werden.The change the inductance can by a frequency difference of two oscillating sensor systems the sensor arrangement are detected.

In diesen Varianten können bewährte Signalverarbeitungseinrichtungen, beispielsweise Mikrocontroller oder Mikroprozessoren eingesetzt werden, so dass sich ein hohes Maß an Gestaltungsflexibilität ergibt.In these variants can proven Signal processing devices, such as microcontroller or microprocessors are used, so that a high Measure Design flexibility results.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen dargelegt. Ferner werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung beschrieben, in welchenFurther advantageous embodiments are in the claims explained. Furthermore, further embodiments of the invention will now be described described below with reference to the figures of the drawing, in which

1a bis 1e Beispiele für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, in denen Reihenresonanzkreise, Parallelresonanzkreise und Oszillatoren mit angekoppelten Induktivi täten vorgesehen sind, um eine durch eine Geberstruktur hervorgerufene Induktivitätsänderung zu erfassen; 1a to 1e Examples of a sensor system according to embodiments of the present invention are in which series resonant circuits, parallel resonant circuits and oscillators with coupled inductances are provided to detect an inductance change caused by a transmitter structure;

2 schematisch die Anordnung der Sensorspulen in Relation zu der Geberstruktur und die sich daraus ergebenden Sensorsignale gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; 2 schematically shows the arrangement of the sensor coils in relation to the encoder structure and the resulting sensor signals according to an embodiment of the invention;

3a bis 3c schematisch die Funktion von Schaltungen zeigen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um eine Phasendifferenz, eine Amplitudendifferenz bzw. eine Frequenzdifferenz auszuwerten; 3a to 3c schematically illustrate the function of circuits used in embodiments of the present invention to evaluate a phase difference, an amplitude difference, and a frequency difference, respectively;

4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schaltung von 3a zeigt; und 4 a block diagram of an embodiment of the circuit of 3a shows; and

5 schematisch zeigt, wie in der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann. 5 schematically shows how in the present invention, an optimized amplitude dependence can be achieved.

1a bis 1e zeigen die Grundstruktur eines Sensorsystems 5, das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. 1a to 1e show the basic structure of a sensor system 5 used in embodiments of the present invention.

Das Sensorsystem 5 ist ein induktiver Positionssensor, der in der Ausführungsform der 1a im wesentlichen aus zwei Reihenresonanzkreisen 6a, 6b aufgebaut ist, die parallel zueinander angeordnet sind. Jeder der Reihenresonanzkreise 6a, 6b weist eine Spule bzw. Induktivität L1 bzw. L2, einen Widerstand R1 bzw. R2 und eine Kapazität C1 bzw. C2 auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind.The sensor system 5 is an inductive position sensor, which in the embodiment of the 1a essentially of two series resonant circuits 6a . 6b is constructed, which are arranged parallel to each other. Each of the series resonant circuits 6a . 6b has a coil or inductance L1 or L2, a resistor R1 or R2 and a capacitor C1 or C2, which are each connected in series.

Die Induktivitäten L1, L2 sind vorzugsweise in planarer Form ausgeführt. Die Kapazitäten C1, C2 sind in der dargestellten Ausführungsform als diskrete Bauteile ausgebildet.The inductors L1, L2 are preferably in planar form. The capacities C1, C2 are in the illustrated embodiment as discrete components educated.

Die beiden Resonanzkreise 6a, 6b werden von einer Wechselspannungsquelle V gespeist, die parallel zu den beiden Reihenresonanzkreisen geschaltet ist. Die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V liegt typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz.The two resonant circuits 6a . 6b are fed by an AC voltage source V, which is connected in parallel with the two series resonant circuits. The frequency f of the AC voltage source V is typically in a range between about 500 kHz and about 5 MHz.

Die Reihenresonanzkreise 6a, 6b sind auf die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V abgestimmt und befinden sich im Ruhezustand, das heißt ohne Bedämpfung, in der Nähe der Resonanzfrequenz. Hierdurch kann eine hohe Empfindlichkeit der Reihenresonanzkreise 6a, 6b erzielt werden, wobei durch Wahl der Arbeitsfrequenz eine gewisse Toleranz des Abstandes zwischen der Geberstruktur und den induktiven Komponenten L1, L2 ausgeglichen werden kann, wie dies nachfolgend mit Bezug zu 5 beschrieben ist. Die Genauigkeit dieser Abstimmung wird dabei von dem Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle V und den Bauteilen L, R, C der Reihenresonanzkreise 6a, 6b bestimmt. Je geringer diese Toleranzen sind, umso besser ist die Funktionalität des Sensorsystems 5.The series resonant circuits 6a . 6b are matched to the frequency f of the AC voltage source V and are in the idle state, that is, without damping, in the vicinity of the resonance frequency. This allows a high sensitivity of the series resonant circuits 6a . 6b achieved by choosing the operating frequency, a certain tolerance of the distance between the encoder structure and the inductive components L1, L2 can be compensated, as described below with reference to 5 is described. The accuracy of this vote is thereby of the component tolerances of the AC voltage source V and the components L, R, C of the series resonant circuits 6a . 6b certainly. The lower these tolerances, the better the functionality of the sensor system 5 ,

Gelangt eine bewegte leitende Struktur in das Magnetfeld der Induktivitäten L1, L2, wird durch die auftretenden Wirbelströme eine Phasendifferenz zwischen den beiden Resonanzkreisen 6a, 6b erzeugt. Diese Phasendifferenz ist im wesentlichen von einer Geberstruktur, welche unten näher beschrieben ist, und von der Güte der Resonanzkreise 6a, 6b abhängig. Maximal kann eine Phasendifferenz von ± 90°, also ein dphi von 180° auftreten.If a moving conductive structure enters the magnetic field of the inductances L1, L2, the resulting eddy currents cause a phase difference between the two resonance circuits 6a . 6b generated. This phase difference is essentially a donor structure, which is described in more detail below, and the quality of the resonant circuits 6a . 6b dependent. A maximum phase difference of ± 90 °, ie a dphi of 180 °, can occur.

In 1b ist eine Ausführungsform dargestellt, in denen die Schwingkreise 6a, 6b Parallelschwingkreise bilden und das Signal an einem entsprechenden Knoten zwischen den Widerständen R1 bzw. R2 und den zugehörigen Parallelresonanzkreisen abgegriffen wird. Auch in diesem Fall lässt sich eine von der durch eine Geberstruktur hervorgerufenen Induktivitätsänderung abhängige Phasendifferenz gewinnen.In 1b an embodiment is shown in which the resonant circuits 6a . 6b Form parallel resonant circuits and the signal is tapped at a corresponding node between the resistors R1 and R2 and the associated parallel resonant circuits. In this case too, a phase difference dependent on the inductance change caused by a transmitter structure can be obtained.

In 1c ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der die Resonanzkreise 6a, 6b als Reihenschwingkreise vorgesehen sind, wobei die Differenz der Spitzenspannung dUss der beiden Kreise, also die Differenz der Amplitude, als Maß für die Induktivitätsänderung und damit als Positionsinformation gewonnen wird.In 1c is shown a further embodiment in which the resonant circuits 6a . 6b are provided as series resonant circuits, wherein the difference of the peak voltage dUss of the two circles, ie the difference in amplitude, is obtained as a measure of the inductance change and thus as position information.

1d zeigt eine Ausführungsform, in der die Schwingkreise 6a, 6b als Parallelkreise zum Ermitteln einer Amplitudendifferenz vorgesehen sind. 1d shows an embodiment in which the resonant circuits 6a . 6b are provided as parallel circles for determining an amplitude difference.

1e zeigt eine Ausführungsform, in der die induktiven Komponenten L1 und L2 mit entsprechenden Oszillatoren Os1 und Os2 gekoppelt sind und damit Teil der ent sprechenden Oszillatoren sind, um das Schwingungsverhalten in Abhängigkeit der Induktivitätsänderung durch eine Frequenzdifferenz df zu erfassen. 1e shows an embodiment in which the inductive components L1 and L2 are coupled to respective oscillators Os1 and Os2 and thus are part of the ent speaking oscillators to detect the vibration behavior as a function of the inductance change by a frequency difference df.

2 zeigt schematisch die Anordnung einer Geberstruktur 3 in Relation zu einer Sensoranordnung 4, die in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Sensorsystem 5a mit den Induktivitäten L1, L2 des in 1 dargestellten Sensorsystems 5 in Kombination mit einem zweiten Sensorsystem 5b mit Induktivitäten L3, L4, das ebenfalls einen Aufbau gemäß der 1 aufweisen kann, umfasst, eine signalverarbeitende Schaltung 8 und die daraus resultierenden Spannungssignale U in Abhängigkeit von der Zeit t gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 schematically shows the arrangement of a donor structure 3 in relation to a sensor arrangement 4 , which in this embodiment, a first sensor system 5a with the inductors L1, L2 of in 1 illustrated sensor system 5 in combination with a second sensor system 5b with inductors L3, L4, which also has a structure according to the 1 comprising, a signal processing circuit 8th and the resulting voltage signals U as a function of time t according to an embodiment of the present invention.

Die Geberstruktur 3 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform auf der Oberfläche eines Zylinderrings 7 an einem Läufer, in einer Ausführungsform an dem Rotor 2 einer elektrischen Maschine 1 angebracht und mit diesem bewegbar. In einer Ausführungsform repräsentiert die elektrische Maschine 1 eine permanentmagnetisch erregte Maschine, in der das Winkelsignal zur elektrischen Kommutierung verwendet wird. Die Geberstruktur 3 kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch radial innen an dem Rotor 2 vorgesehen sein. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung ist es auch möglich, die Geberstruktur 3 axial an dem Rotor 2 vorzusehen.The encoder structure 3 is in the embodiment described here on the surface of a cylinder ring 7 on a rotor, in one embodiment on the rotor 2 an electric machine 1 attached and movable with this. In one embodiment, the electric machine represents 1 a permanently magnetically excited machine in which the angle signal is used for electrical commutation. The encoder structure 3 However, in other embodiments of the invention also radially inward on the rotor 2 be provided. According to a further advantageous variant of the invention, it is also possible to use the encoder structure 3 axially on the rotor 2 provided.

Die Geberstruktur 3 ist in der dargestellten Ausführungsform sinusförmig auf dem Ring 7 radial außen an dem Rotor 2 angebracht. Die angewendete Sinusform ist vorteilhaft, da durch diese Geometrie die Geberstruktur 3 in der Lage ist, eine Bedämpfungsfläche in Form einer Sinusspur auszubilden, womit wiederum das von dem Sensorsystem 5 erfasste Sensorsignal 9 sinusartig beeinflussbar ist und damit leicht auswertbar ist.The encoder structure 3 is sinusoidal on the ring in the illustrated embodiment 7 radially outward on the rotor 2 appropriate. The applied sinusoidal shape is advantageous because this geometry causes the donor structure 3 is able to form a Bedämpfungsfläche in the form of a sinusoidal track, which in turn that of the sensor system 5 detected sensor signal 9 is influenced sinusoidally and thus easily evaluated.

Grundsätzlich können jedoch auch andere sich winkelabhängig verändemde Strukturen für die Geberstruktur 3 verwendet werden. Diese können periodisch sein, müssen es jedoch nicht. Beispielsweise kann die Geberstruktur sich wiederholende Dreieckstrukturen aufweisen. Auch andere Formen, die eine positionsabhängige Induktivitätsänderung ergeben, etwa rechteckförmige Strukturen, etc. können eingesetzt werden.In principle, however, other structures that vary depending on the angle can also be used for the encoder structure 3 be used. These can be periodic, but they do not have to be. For example, the encoder structure may have repeating triangular structures. Other shapes that result in a position-dependent inductance change, such as rectangular structures, etc. can be used.

Die Geberstruktur 3 kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Kupfer, einer Leiterplatte, leitenden Folien oder metallisiertem Kunststoff ausgebildet sein. Sie muss lediglich leitfähig sein bzw. einen leitfähigen Bestandteil aufweisen. Sie muss nicht magnetisch sein.The encoder structure 3 For example, it may be formed of aluminum, steel, copper, a printed circuit board, conductive foils or metallized plastic. It must merely be conductive or have a conductive component. It does not have to be magnetic.

Der Geberstruktur 3 gegenüber sind die Sensorspulen L1, L2 beispielsweise in Form der Resonanzkreise 6a, 6b des ersten Sensorsystems 5a angeordnet, und dazu um 90° versetzt sind die Sensorspulen L3, L4 des Sensorsystems 5b angeordnet. Die Sensorinduktivitäten L1, L2 und L3, L4 sind so vor der Geberstruktur 3 angeordnet, dass jedes Paar einen Winkelabstand von 180° bildet, so dass ein Differenzsignal für jedes Paar der Sensorsysteme 5a, 5b erzeugt wird. Diese Differenzsignale enthalten jeweils die Position des Läufers oder Rotors 2. Aufgrund der beiden Sensorsysteme 5a, 5b ergeben sich zwei um 90° verschobene Differenzsignale, beispielsweise ein Sinussignal und ein Cosinussignal, abhängig von der Form der Geberstruktur 3. Aus den beiden Differenzsignalen kann dann auch die Absolutposition, d.h., auch die Richtung der Bewegung, der Geberstruktur 3 ermittelt werden.The donor structure 3 opposite are the sensor coils L1, L2, for example in the form of the resonant circuits 6a . 6b of the first sensor system 5a arranged, and offset by 90 ° are the sensor coils L3, L4 of the sensor system 5b arranged. The sensor inductances L1, L2 and L3, L4 are thus in front of the encoder structure 3 arranged so that each pair forms an angular distance of 180 °, so that a difference signal for each pair of sensor systems 5a . 5b is produced. These difference signals each contain the position of the rotor or rotor 2 , Due to the two sensor systems 5a . 5b result in two shifted by 90 ° difference signals, such as a sine signal and a cosine signal, depending on the shape of the encoder structure 3 , From the two difference signals can then also the absolute position, ie, also the direction of the movement, the encoder structure 3 be determined.

Im Anschluss an die Sensorsysteme 5 mit den Spulen L1, L2 und L3, L4 ist die Schaltung 8 vorgesehen, die die Auswertung der Differenzsignale vornimmt. In der gezeigten Ausführungsform erzeugt die Schaltung 8 zunächst die Ausgangssignale 10.Following the sensor systems 5 with the coils L1, L2 and L3, L4 is the circuit 8th provided, which carries out the evaluation of the differential signals. In the embodiment shown, the circuit generates 8th first the output signals 10 ,

3a zeigt schematisch die Funktion einer Ausführungsform der in der vorliegenden Erfindung angewendeten Schaltung 8. Die Schaltung 8 in dieser Ausführungsform ist ein ASIC (application specified integrated circuit), das heißt ein anwenderspezifischer Schaltkreis, der im einzelnen in 4 dargestellt ist. Die Schaltung 8 hat die Funktion, aus der Phasendifferenz 9, die auch als dphi bezeichnet ist, der Resonanzkreise 6a, 6b des ersten und zweiten Sensorsystens 5a, 5b am Schaltungseingang eine Analogspannung V (dphi) 10 am Schaltungsausgang 11 zu erzeugen. Wie in 2 und 3a gezeigt, weist die Spannung 10 am Schaltungsausgang 11 ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos auf. 3a schematically shows the function of one embodiment of the circuit used in the present invention 8th , The circuit 8th In this embodiment, an application specific integrated circuit (ASIC), that is, a user-specific circuit, is described in detail in FIG 4 is shown. The circuit 8th has the function, from the phase difference 9 which is also called dphi, the resonant circuit 6a . 6b of the first and second sensor systems 5a . 5b at the circuit input an analog voltage V (dphi) 10 at the circuit output 11 to create. As in 2 and 3a shown, shows the tension 10 at the circuit output 11 a sine signal sin and a cosine signal cos.

In 3b sind die Differenzsignale 9 der Sensorsysteme 5a, 5b als dUss bezeichnet, die in einer ersten Stufe 8a zu entsprechenden Amplitudendifferenzsignale umgewandelt werden und dann einer zweiten Auswertestufe 8b, die beispielsweise als Mikrorechner oder ähnlichem vorgesehen sein kann, zugeleitet sind, um draus die gewünschte Positionsinformation zu ermitteln.In 3b are the difference signals 9 the sensor systems 5a . 5b referred to as dUSs, in a first stage 8a are converted to corresponding amplitude difference signals and then a second evaluation stage 8b , which may be provided, for example, as a microcomputer or the like, are supplied in order to determine the desired position information therefrom.

3c zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Differenzsignale 9 als Frequenzdifferenzen df erhalten werden, beispielsweise auf der Grundlage einer Anordnung der Sensorsysteme 5a, 5b, wie sie in 1e gezeigt ist. Die Differenzsignale 9 können wieder einer Auswerteschaltung 8, etwa einem Mikrorechner oder dergleichen, zugeführt werden. Bei Verwendung eines Mikrorechner können eventuell vorhandene interne Resourcen, etwa ein ADC, und dergleichen verwendet werden, um eine Verarbeitung der Signale 9 zu ermöglichen. Es können auch spezielle Komponenten eingesetzt werden, die je nach Anwendung in einer oder mehreren integrierten Schaltungen enthalten sein können. 3c shows a further embodiment in which the difference signals 9 be obtained as frequency differences df, for example, based on an arrangement of the sensor systems 5a . 5b as they are in 1e is shown. The difference signals 9 can again an evaluation circuit 8th , such as a microcomputer or the like, are supplied. When using a microcomputer, any existing internal resources, such as an ADC, and The same can be used to process the signals 9 to enable. It is also possible to use special components which, depending on the application, can be contained in one or more integrated circuits.

4 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltung 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend der Signalverarbeitung der 3a. Es ist zu beachten, dass die in 4 gepunkteten Bereiche externe Komponenten sind und nicht zu der Schaltung 8 gehören. 4 shows a block diagram of the circuit 8th according to an embodiment of the present invention according to the signal processing of 3a , It should be noted that the in 4 dotted areas are external components and not to the circuit 8th belong.

Wie oben beschrieben, wird mit Hilfe der Sensorsysteme 5a, 5b die Phasenlage der an dem Rotor 2 angebrachten Geberstruktur 3 sowie deren Vorzeichen ermittelt. Die Sensorsysteme 5, die in 4 links, gepunktet dargestellt sind, geben die Sensorsignale 9 in der gezeigten Ausführungsform mit entsprechenden Phasendifferenzen dphi aus, die von der Schaltung 8 am Schaltungseingang 14 abgegriffen werden. Mit den Modulen 15 werden die abgegriffenen Sensorsignale 9 verstärkt und gefiltert. Daraufhin wandeln Komparatoren 16 die verstärkten und gefilterten Analogsignale in digitale Signale um, indem die Eingangsspannungen mit einer Referenzspannung V_ref verglichen werden, wobei jeweils nur ein High- und ein Low-Pegel erzeugt wird. Entsteht bei diesem Vorgang eine Amplitude von Null, wird diese nicht weiterbehandelt sondern von dem ZAP (Zero-Amplitude-Phase)-Glied 17 separat behandelt.As described above, using the sensor systems 5a . 5b the phase position of the rotor 2 attached encoder structure 3 and their sign determined. The sensor systems 5 , in the 4 on the left, shown dotted, give the sensor signals 9 in the embodiment shown with corresponding phase differences dphi from that of the circuit 8th at the circuit input 14 be tapped. With the modules 15 become the tapped sensor signals 9 reinforced and filtered. Thereupon, comparators change 16 The amplified and filtered analog signals into digital signals by the input voltages are compared with a reference voltage V _ref , wherein only one high and one low level is generated. If this process produces an amplitude of zero, it will not be processed further but by the ZAP (Zero Amplitude Phase) element 17 treated separately.

Die erzeugten digitalen Signale werden im folgenden über Exklusiv-Oder-Glieder 18 geleitet, welche Rechtecksignale mit großem Oberwellengehalt erzeugen. Die Ausgangssignale der Exklusiv-Oder-Glieder 18 werden dann über Tiefpassfilter 19 geleitet. Die Ausgangssignale der Tiefpassfilter 19 werden an Pufferstufen 20 ausgegeben, welche zudem ein Spannungssignal V_cc von 5 V ± 10 % von dem Spannungsregler 21 erhalten. Im Ergebnis der Pufferstufen 20 werden ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos als Analogspannung 10 am Schaltungsausgang 11 ausgegeben.The generated digital signals are in the following via exclusive-or-links 18 which generate square wave signals with large harmonic content. The output signals of the exclusive OR gates 18 are then about low-pass filter 19 directed. The output signals of the low-pass filter 19 are at buffer stages 20 which also outputs a voltage signal V _cc of 5 V ± 10% from the voltage regulator 21 receive. As a result of the buffer stages 20 become a sine signal sin and a cosine signal cos as analog voltage 10 at the circuit output 11 output.

Wie in 4 zu sehen, werden die von den Sensorsystemen 5 ausgegebenen Signale dphi in zwei symmetrischen Kanälen 12 verarbeitet. Dabei weist jeweils ein Kanal Verstärker und Filter 15 für jeweils beide Resonanzkreise 6a, 6b, zwei Komparatoren 16 für die Ausgangssignale der Verstärker und Filter 15, ein Exklusiv-Oder-Glied 18 zum Zusammenführen der Signale der Komparatoren 16, einen Tiefpassfilter 19 für das Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes 18 und eine Pufferstufe 20 für die Ausgabe der Analogspannungssignale bzw. der Sinus- und Kosinussignale 10 auf.As in 4 to be seen by the sensor systems 5 output signals dphi in two symmetrical channels 12 processed. One channel each has amplifiers and filters 15 for each of the two resonant circuits 6a . 6b , two comparators 16 for the output signals of the amplifiers and filters 15 , an exclusive or link 18 for merging the signals of the comparators 16 , a low pass filter 19 for the output signal of the exclusive OR gate 18 and a buffer stage 20 for the output of the analog voltage signals or the sine and cosine signals 10 on.

Um ein genaues Messsystem für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen zur Verfügung zu stellen, wird die Temperaturstabilität der Schaltung 8 sehr effizient ausgelegt und die EMV-Empfindlichkeit der Schaltung 8 wird klein gehalten. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Ausgangsspannungen 10 entsprechend der Phasenposition im Hinblick auf mögliche Offsetstreuungen sehr genau sind.To provide an accurate measuring system for demanding environmental conditions, the temperature stability of the circuit 8th designed very efficiently and the EMC sensitivity of the circuit 8th is kept small. Moreover, it is advantageous that the output voltages 10 are very accurate according to the phase position with regard to possible offset scattering.

Im Anschluss an die Schaltung 8 ist ein Rechenmodul 13 vorgesehen, das das Sinussignal sin und das Kosinussignal cos der Ausgangsspannungen 10 zu einem Arcustangenssignal verknüpft. Damit entsteht ein lineares Ausgangssignal, aus welchem die Lage der Geberstruktur 3 und damit des Rotors 2 direkt ableitbar ist.Following the circuit 8th is a calculation module 13 provided that the sine signal sin and the cosine signal cos the output voltages 10 linked to an arctangent signal. This creates a linear output signal from which the position of the encoder structure 3 and thus the rotor 2 is directly derivable.

5 zeigt schematisch, wie mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann. 5 stellt die Empfindlichkeit, beispielsweise in Form der Amplitude, in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz ω der Resonanzkreise 6a, 6b dar. Wie aus 5 hervorgeht, ist die Empfindlichkeit der Resonanzkreise 6a, 6b nahe der entsprechenden Resonanzfrequenz am größten. Kurve B zeigt schematisch den Verlauf der Amplitude bei geringem Abstand der Geberstruktur 3 von den jeweiligen Sensorspulen. In diesem Falle ist die Bedämpfung durch die Geberstruktur 3 hoch und ergibt eine Resonanzfrequenz ω_u des bedämpften Systems, die von der unbedämpften oder wenig bedämpften Resonanzfrequenz ω₀ (Kurve A) abweicht. Bei Durchlaufen der Geberstruktur 3 treten also entsprechende Unterschiede in der Amplitude auf, die bei insgesamt geringen Abstand der Geberstruktur 3 von den Spulen effizient ausgewertet werden können. Bei Vergrößerung des Abstands, beispielsweise auf Grund von Fertigungstoleranzen, etc. ist die mittlere Bedämpfung beim Vorbeilaufen der Geberstruktur deutlich geringer und damit bei festgelegter Arbeitsfrequenz auch die Empfindlichkeit bei Änderung der Bedämpfung durch die Form der Geberstruktur. In diesem Falle kann der Verlust an Empfindlichkeit im Differenzsignal zu einem gewissen Grade kompensiert werden, indem die Arbeitsfrequenz ω_B entsprechend höher gewählt wird, d.h., der Arbeitspunkt P wird näher an die „mittlere" Resonanzfrequenz des im Mittel weniger bedämpften Systems herangeführt, so dass dennoch ausreichend große Differenzsignale erhalten werden können. D.h., auch für einen im Mittel größeren Abstand, der zu einer insgesamt für den Durchlauf der Geberstruktur geringeren Dämpfung führt, kann durch eine Anhebung des Arbeitspunktes P, der der Arbeitsfrequenz ω_B entspricht, eine relativ intensives Differenzsignal gewonnen werden. 5 schematically shows how with the aid of the present invention, an optimized amplitude dependence can be achieved. 5 represents the sensitivity, for example in the form of the amplitude, as a function of the operating frequency ω of the resonant circuits 6a . 6b how 5 shows, the sensitivity of the resonant circuits 6a . 6b near the corresponding resonant frequency largest. Curve B shows schematically the course of the amplitude at a small distance of the encoder structure 3 from the respective sensor coils. In this case, the damping is due to the encoder structure 3 high and gives a resonant frequency ω _{u of} the damped system, which deviates from the unattenuated or little damped resonant frequency ω ₀ (curve A). When passing through the encoder structure 3 Thus, corresponding differences occur in the amplitude, which in total small distance of the encoder structure 3 can be efficiently evaluated by the coils. When increasing the distance, for example due to manufacturing tolerances, etc., the average damping when passing the encoder structure is significantly lower and thus at a fixed operating frequency and the sensitivity to change the damping by the shape of the encoder structure. In this case, the loss of sensitivity in the difference signal can be compensated to some extent by selecting the operating frequency ω _B correspondingly higher, that is, the operating point P is brought closer to the "mean" resonance frequency of the medium-less damped system, so that Nevertheless, even for a larger average distance, which leads to a total for the passage of the encoder structure lower attenuation, by raising the operating point P corresponding to the operating frequency ω _B , a relatively intense difference signal be won.

Führt beispielsweise ein größerer Abstand der Geberstruktur 3, zum Beispiel durch einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes 7, zu einer geringeren Bedämpfung der Sensoranordnung 4, kann durch eine günstige Wahl des Arbeitspunktes P näher an der mittleren Resonanzfrequenz ω₀, wie durch den Pfeil in 5 gezeigt, die Empfindlichkeit heraufgesetzt werden, wodurch das Ausgangssignal so groß ist, dass die Winkellage des Rotors 2 mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Änderung des Abstandes zwischen der Geberstruktur 3 und der Sensoranordnung 4 bis zu zwei Millimeter betragen und dennoch eine ausreichend hohe Amplitude erzielt werden.For example, leads to a greater distance of the encoder structure 3 , for example by a rash or an imbalance of the encoder ring 7 , to a lower damping of the sensor arrangement 4 , can by a favorable choice of the working point P closer to the mean resonant frequency ω ₀ , such as through the arrow in 5 shown, the sensitivity can be increased, whereby the output signal is so large that the angular position of the rotor 2 can be detected with sufficient accuracy. In this way, for example, a change in the distance between the encoder structure 3 and the sensor assembly 4 be up to two millimeters and still achieve a sufficiently high amplitude.

Ebenso wie das Lager des Rotors 2 mit der daran befindlichen Geberstruktur 3 in Radialrichtung in seiner Position schwanken kann, kann es auch in Achsenrichtung wandern. So ist es möglich, dass sich die Geberstruktur 3 von der Sensoranordnung 4 wegbewegt und dieser nicht mehr ideal gegenüber ist. Unter Umständen können hierbei axiale Toleranzen von wenigen Millimetern auftreten. Für diesen Fall kann das Spulendesign der Induktivitäten L1, L2 entsprechend angepasst werden, um axiale Toleranzen von zum Beispiel fünf Millimetern ausgleichen zu können.As well as the bearing of the rotor 2 with the donor structure attached to it 3 can vary in position in the radial direction, it can also move in the axial direction. So it is possible that the donor structure 3 from the sensor arrangement 4 moved away and this is no longer ideal. Under certain circumstances, axial tolerances of a few millimeters may occur. In this case, the coil design of the inductors L1, L2 can be adjusted accordingly in order to be able to compensate for axial tolerances of, for example, five millimeters.

Die Sensorsysteme 5 können in beliebiger Bauform gestaltet sein und, in Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur 3, radial oder axial zu dem Rotor 2 angeordnet sein. In Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur 3 und der zugehörigen Sensoranordnung 4 kann demnach die Abtastung der Geberstruktur 3 sowohl radial innen und außen als auch axial erfolgen.The sensor systems 5 can be designed in any shape and, depending on the arrangement of the encoder structure 3 , radially or axially to the rotor 2 be arranged. Depending on the arrangement of the encoder structure 3 and the associated sensor arrangement 4 can therefore the sampling of the encoder structure 3 both radially inward and outward as well as axially done.

In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorsysteme 5 räumlich nahe zueinander angeordnet, beispielsweise mit einem Abstand von einigen Millimetern, um einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes 7 über eine möglichst gleiche Amplitudenänderung auf den Differenzsignalen, beispielsweise der Sinus- und Kosinusspannung, zu eliminieren.In the present embodiment of the invention, the sensor systems 5 spatially close to each other, for example, with a distance of a few millimeters, to a rash or an imbalance of the encoder ring 7 to eliminate as much as possible amplitude change on the difference signals, such as the sine and cosine voltage.

In den dargestellten Ausführungsformen sind die Sensorsysteme 5 an einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine vorgesehen. In anderen Ausführungsformen können die Geberstruktur 3 und die Sensorsysteme 5a und/oder 5b an beliebigen relativ zu einander bewegten Objekten, die hierin allgemein als Läufer und Stator bezeichnet sind, vorgesehen werden, um Position und/oder Bewegungsrichtung des Läufers zu bestimmen. Beispielsweise kann damit die Position und Richtung in einem Linearantrieb erfasst werden. Femer kann der Läufer nur mit einem einzelnen Sensorsystem 5a oder 5b versehen sein, wenn die Richtung nicht bestimmt werden soll oder durch andere Mittel erfasst wird. Somit ist ein effizientes Mittel zur Winkelmessung und/oder zur Wegmessung bereitgestellt, in der durch die Induktivitätsänderung unter anderem durch Wirbelstromverluste in der Geberstruktur eine hohe Störsicherheit erreicht wird gegenüber rein magnetisch arbeitenden Systemen.In the illustrated embodiments, the sensor systems 5 provided on a rotor of a rotating electric machine. In other embodiments, the donor structure 3 and the sensor systems 5a and or 5b on any relative to each other moving objects, which are generally referred to herein as a rotor and stator, are provided to determine the position and / or direction of movement of the rotor. For example, so that the position and direction can be detected in a linear drive. Furthermore, the runner can only use a single sensor system 5a or 5b be provided if the direction is not to be determined or detected by other means. Thus, an efficient means for angle measurement and / or distance measurement is provided, in which by the inductance change, inter alia, by eddy current losses in the encoder structure, a high interference immunity is achieved compared to purely magnetically operating systems.

Mit dem Rotorlagegeber, wie er zuvor in einigen Ausführungsformen beschrieben ist, kann die Winkellage von zueinander rotierenden Teilen und insbesondere die Winkellage eines Rotors einer elektrischen Maschine berührungslos und sehr störunanfällig ermittelt werden, wodurch die Steuerung von elektrischen Maschinen, z.B. permanent erregte Maschinen, Asynchronmaschinen, etc. unter Einsatz eines robusten und kostengünstigen Sensorsystems in sehr effizienter Weise durchgeführt werden kann.With the rotor position sensor as previously described in some embodiments, can the angular position of parts rotating to each other and in particular the angular position of a rotor of an electrical machine without contact and determined very susceptible to interference whereby the control of electrical machines, e.g. permanent excited machines, asynchronous machines, etc. using a robust and cost-effective Sensor system can be performed in a very efficient manner.

Beispielsweise bezieht sich die Winkellage von 0 bis 360°, die aus dem Signal des Gebersystems abgeleitet werden kann, jeweils auf eine Periode einer sinusförmigen Stromkommutierung einer Synchronmaschine, die der Polpaarzahl im Stator entspricht. Wenn z.B. die Synchronmaschine eine Polpaarzahl von 7, aufweist, wiederholt sich die Periode der Winkelerfassung von 0 bis 360° siebenmal im Verlauf einer mechanischen Umdrehung, was einem Winkel von 51, 43° entspricht.For example refers to the angular position of 0 to 360 °, which comes from the signal of the encoder system can be derived, each on a period of a sinusoidal current commutation a synchronous machine, which corresponds to the number of pole pairs in the stator. If e.g. the synchronous machine has a pole pair number of 7, the period of angle detection repeats from 0 to 360 ° seven times in the Course of a mechanical revolution, which corresponds to an angle of 51, 43 °.

Das erfindungsgemäße System zum Erfassen der Position eines Läufers, insbesondere der Winkellage eines Rotors sowie das zugehörige Verfahren sind insbesondere vorteilhaft bei Startergeneratoranwendungen im Automobilbereich einsetzbar, wo der Schaltkreis 8 harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und der induktive Positionssensor gegenüber hohen Motorströmen von bis zu 1.000 Ampere unempfindlich sein muss. Ferner lassen sich durch das erfindungsgemäße Sensorsystem elektrische Antriebe, die in Fahrzeugen beispielsweise in Hybridantrieben oder als reine Elektroantriebe vorgesehen sind, effizient einsetzen, da beispielsweise die elektronische Kommutierung von permanent erregten Synchronmotoren oder bürstenlosen Gleichstrommotoren oder die Steuerung von Asynchronmaschinen durchgeführt werden kann.The inventive system for detecting the position of a rotor, in particular the angular position of a rotor and the associated method are particularly advantageous in starter generator applications in the automotive field can be used, where the circuit 8th harsh environmental conditions and the inductive position sensor must be insensitive to high motor currents of up to 1,000 amperes. Furthermore, can be efficiently used by the sensor system according to the invention electrical drives, which are provided in vehicles, for example in hybrid drives or pure electric drives, since, for example, the electronic commutation of permanent magnet synchronous motors or brushless DC motors or the control of asynchronous machines can be performed.

11: elektrische Maschineelectrical machine
22: Läufer bzw. RotorRunner or rotor
33: Geberstrukturdonor structure
44: Sensoranordnungsensor arrangement
5, 5a, 5b5, 5a, 5b: Sensorsystemesensor systems
6a, 6b6a, 6b: Resonanzkreiseresonant circuits
77: Geberringtransmitter ring
88th: Schaltungcircuit
99: Sensorsignalesensor signals
1010: Analogspannunganalog voltage
1111: Schaltungsausgangcircuit output
1212: Schaltungskanalcircuit channel
1313: Rechenmodulcalculation module
1414: Schaltungseingangcircuit input
1515: Verstärker und FilterAmplifier and filter
1616: Komparatorencomparators
1717: ZAP (Zero Amplitude Phase)ZAP (Zero amplitude phase)
1818: Exklusiv-Oder-GliederExclusive-OR gates
1919: TiefpassfilterLow Pass Filter
2020: Pufferstufenbuffer stages
2121: Spannungsreglervoltage regulators
C1, C2C1, C2: Kapazitätencapacities
coscos: Kosinussignalcosine
L1, L2, L3, L4L1, L2, L3, L4: Induktivitäteninductors
PP: Arbeitspunktworking
AA: Amplitudeamplitude
R1, R2R1, R2: Widerständeresistors
sinsin: Sinussignalsinewave
VV: WechselspannungsquelleAC voltage source
ω₀ ω ₀: Resonanzfrequenzresonant frequency
ω_B ω _B: Arbeitsfrequenz Operating frequency
ω_U ω _U: Resonanzfrequenz bei starker Bedämpfungresonant frequency with strong damping
Os1, Os2 Os1, oS2: Oszillatoroscillator

Claims

System for detecting a position of a runner ( 2 ) of a machine having a transmitter structure ( 3 ), on the runner ( 2 ) and is movable with this, and a positionally fixed sensor arrangement ( 4 ), the donor structure ( 3 ) and at least one sensor signal ( 9 ), from which the position can be derived, wherein the sensor arrangement ( 4 ) has a first inductive component, and the encoder structure ( 3 ) is adapted to cause a motion-dependent change of an inductance of the inductive component.

The system of claim 1, wherein the transmitter structure includes comprising electrically conductive material.

System according to claim 1 or 2, wherein the encoder structure ( 3 ) has a periodically angle-dependent changing structure.

The system of claim 3, wherein the changing one Structure sinusoidal, triangular or partially rectangular is.

System according to one of the preceding claims, wherein the encoder structure ( 3 ) on a ring ( 7 ) radially inward or outward on the rotor ( 2 ) is provided.

System according to one of the preceding claims, wherein the encoder structure ( 3 ) axially on a rotor ( 2 ) is provided.

System according to one of the preceding claims, wherein the sensor arrangement ( 4 ) a first resonant circuit ( 6a . 6b ) and the first inductive component is a part of the first resonant circuit ( 6a . 6b ).

System according to claim 7, wherein the sensor arrangement comprises a second resonant circuit ( 6a . 6b ) having a second inductive component and the first and second resonant circuits form a first sensor system.

A system according to any one of claims 1 to 6, wherein the first inductive component used as part of a first oscillator is.

The system of claim 9, wherein a second inductive component is provided which is used as part of a second oscillator and the first oscillator, the first inductive component, the second oscillator and the second inductive component, a first sensor system ( 5 ) form.

System according to claim 8 or 10, wherein the sensor arrangement ( 4 ) a second, to the first offset sensor system ( 5 ).

The system of claim 11, wherein the first and second Sensor system are identical.

A system according to claim 11 or 12, wherein the first and second sensor systems ( 5 ) of the sensor arrangement ( 4 ) are arranged spatially close to each other, so that the encoder arrangement affects the first and the second sensor system substantially the same.

System according to one of the preceding claims, wherein the sensor arrangement ( 4 ) a circuit ( 8th ), which transmits the sensor signal ( 9 ) into a signal containing the angle information ( 10 ) at the circuit output ( 11 ) converts.

System according to claim 14 , where the circuit ( 8th ) is designed to determine the signal containing the angle information from a phase difference and / or from an amplitude difference and / or from a frequency difference of the sensor signal.

A system according to claim 14 or 15, wherein the circuit ( 8th ) symmetric channels ( 12 ) for tapping and processing components of the sensor signal ( 9 ) of the sensor arrangement ( 4 ) having.

A system according to claim 8, wherein the first and second inductive components (L1, L2) of the first and second resonant circuits (L1, L2) 6a . 6b ) are arranged to output mutually phase-shifted output signals.

System according to one of claims 1 to 17, wherein one with at least the first inductive component coupled AC voltage source (V) having a frequency (f) between about 500 kHz and about 5 MHz is provided.

The system of claims 18 and 7 and 8, wherein the first and the second oscillatory circuit ( 6a . 6b ) are tuned to the frequency (f) of the AC voltage source (V).

The system of claim 19, wherein the first and the second resonant circuit to the frequency of the AC voltage source based on a distance of the encoder structure from the sensor array are coordinated.

System according to claim 7 or 8, wherein the first resonant circuit a series resonant circuit is.

System according to claim 7 or 8, wherein the first resonant circuit a parallel resonant circuit is.

The system of claim 14, wherein the circuit comprises a first module that generates a sine signal (sin) and a cosine signal (cos), and the circuit ( 8th ) a computing module ( 13 ), which calculates an arctangent function from the sine signal (sin) and the cosine signal (cos).