EP4186082A1 - Elektronische anordnung, sensor, elektromechanisches lenksystem und verfahren zur induktiven leistungs- und datenübertragung - Google Patents

Elektronische anordnung, sensor, elektromechanisches lenksystem und verfahren zur induktiven leistungs- und datenübertragung

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EP4186082A1
EP4186082A1 EP21740090.2A EP21740090A EP4186082A1 EP 4186082 A1 EP4186082 A1 EP 4186082A1 EP 21740090 A EP21740090 A EP 21740090A EP 4186082 A1 EP4186082 A1 EP 4186082A1
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EP
European Patent Office
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sensor
unit
coil
data
static
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Application number
EP21740090.2A
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Inventor
Zoltán BARANYAI
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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Publication date
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    • H01F38/18—Rotary transformers

Definitions

  • the invention relates to an electronic arrangement for inductive power and data transmission comprising a static unit and a rotating unit, the static unit comprising a first resonant circuit which has a first coil and a first capacitor and which can be excited by an oscillator, and the rotating unit comprises a second Coil and a sensor circuit includes, which are connected to a power supply.
  • the invention also relates to a sensor comprising such an electronic arrangement for determining the angle of rotation and/or torque, an electromechanical steering system with a sensor for determining the angle of rotation and/or torque and a method for inductive power and data transmission between a static and a rotating unit.
  • Torque sensors conventionally have a rotation angle sensor.
  • two shaft parts that can be twisted to a limited extent in relation to one another are elastically coupled to one another via a torsion spring.
  • the relative angle of rotation is essentially proportional to the torque introduced.
  • a torque sensor is known, for example, from published application DE 10 2007 043 502 A1.
  • a ring magnet is arranged on the upper steering shaft, while a holder with a magnetic stator is attached to the lower steering shaft, which is opposite the permanent magnet in the radial direction via a small air gap.
  • the magnetic flux of the magnet is conducted via the stator, which usually consists of two separate stator parts, to a first and a second flux conductor, which then emit the magnetic flux to a magnetic sensor, for example a Hall sensor.
  • a magnetic sensor for example a Hall sensor.
  • Torque sensor is also known as inductive torque sensor due to the way it works.
  • the invention is therefore based on the object of proposing an electronic arrangement that allows inductive power and data transmission to be carried out between a stator and a rotor in a simple and cost-effective manner, while minimizing any interference effects .
  • this object is achieved by an electronic arrangement of the type mentioned at the outset, the first and second coils forming a pair of coils for inductive power transmission from the static to the rotating unit and for inductive data transmission from the rotating to the static unit, with the second coil a second capacitor is connected to form a second resonant circuit, which for data modulation a via the sensor circuit controlled switch for modulating the resonant frequency of the coupled resonant circuits and the static unit has a signal measuring device for determining the resonant frequency.
  • the first and second coils form a pair of coils for inductive power transmission from the static to the rotating unit and for inductive data transmission from the rotating to the static unit.
  • a second capacitor is connected to the second coil, as a result of which a second oscillating circuit is formed in the rotating part in addition to the first oscillating circuit in the static part.
  • the static unit has a signal measuring device for determining the resonant frequency of the coupled resonant circuits.
  • the desired data and power transmission can be implemented inexpensively and simply by implementing a coupled resonant circuit, ie with only one pair of coils.
  • the switch for data modulation is a pair of MOSFETs, as a result of which a high data modulation can advantageously be achieved.
  • the oscillator that excites the first resonant circuit is a Royer oscillator.
  • a Royer oscillator is particularly powerful and is also characterized by low-loss operation.
  • the signal measuring device is a microcontroller for data demodulation. As a result, in addition to ensuring a high data rate, inexpensive data demodulation can also be provided.
  • the signal measuring device is implemented by a digital logic unit, in particular an ASIC or FPGA, or by analog signal processing.
  • the data rate is up to 900 kHz, in particular in the range from 100 kHz to 900 kHz, preferably in the range from 250 kHz to 300 kHz or from 500 kHz to 600 kHz or from 750 kHz to 900 kHz kHz takes place.
  • the data rate is up to 900 kHz, in particular in the range from 100 kHz to 900 kHz, preferably in the range from 250 kHz to 300 kHz or from 500 kHz to 600 kHz or from 750 kHz to 900 kHz kHz takes place.
  • the invention relates to a sensor for determining an angle of rotation and/or a torque, the sensor having an electronic arrangement according to the invention. Thanks to the electronic arrangement that can be produced inexpensively, this sensor is characterized by particularly low production costs.
  • the sensor is a rotation angle sensor and/or a torque sensor.
  • the sensor is a rotation angle sensor and/or a torque sensor with an electronic arrangement designed according to the invention.
  • the steering system also includes a computing unit, which is designed to provide the at least one input variable based on a sensor signal provided by the sensor.
  • the steering system is a steer-by-wire steering system.
  • the present invention also relates to a method for inductive power and data transmission between a static and a rotating unit, characterized by the following steps:
  • the rotating unit for data modulation having a sensor circuit-controlled switch for modulating the resonant frequency of the coupled oscillating circuits; - measuring the resonant frequency of the received data by a signal measuring device in the static unit.
  • the desired data and power transmission can be implemented inexpensively and simply by implementing a coupled resonant circuit, ie with only one pair of coils.
  • this is used to operate a sensor, in particular an angle sensor or a torque sensor, in a steering system, in particular to implement a steer-by-wire solution, with the data received by the static unit being sent to a steering system controlling engine control unit.
  • the risk of interference reduced by the method according to the invention has a positive effect on the steering safety achieved with a steer-by-wire solution.
  • the data modulation is implemented as frequency shift keying, which results in the advantage that particular insensitivity to interference is achieved.
  • the first resonant circuit and the second resonant circuit are coupled, in particular so closely coupled, that both resonant circuits behave like a single resonant circuit, so that the transmittable data rate is advantageously further improved as a result.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an electronic arrangement according to the invention for inductive power and data transmission, comprising a static and a rotating unit with a pair of coils,
  • FIG. 3 shows a representation of an exemplary embodiment of a method according to the invention for inductive power and data transmission between a static and a rotating unit using a coupled resonant circuit
  • a previously known electronic arrangement 1 for inductive power and data transmission shown in FIG an oscillator 7 can be excited.
  • the oscillator 7 is controlled by a control unit 8 in that electrical power 9 is transmitted from the control unit 8 to the oscillator 7, so that the first Resonant circuit 6 is excited.
  • the rotating unit 3 comprises a second coil 10 and a sensor circuit 11 connected to a power supply 12 .
  • such a previously known electronic arrangement 1 has a second pair of coils for data transmission from a rotating 3 to a static 2 unit. In this case, the data transmission is driven by a data coil driver 13 .
  • the data 14 transmitted from the rotating unit 3 to the static unit 2 are recorded by the signal measuring device 15 of the static unit 2 and forwarded to the control unit 8 .
  • a disadvantage of such an arrangement are the high manufacturing and installation costs due to the two pairs of coils 16, 17.
  • the different components due to the two pairs of coils 16, 17.
  • Pairs of coils easily influence each other, which can lead to an undesirable occurrence of interference signals that, when used in a steering system, in particular a steer-by-wire solution, can negatively affect steering safety.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electronic arrangement 1 according to the invention, in which only one pair of coils 16 is used.
  • the electronic arrangement 1 according to the invention has a pair of coils 16 for inductive power transmission from the static unit 2 to the rotating unit 3 and for inductive data transmission from the rotating unit 3 to the static unit 2, with a second capacitor 18 being connected to the second coil 10 for Formation of a second resonant circuit 19 is connected, which has a controlled via the sensor circuit 11 switch 20 for modulation of the resonant frequency of the coupled resonant circuits for data modulation.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for inductive power and data transmission between a static unit 2 and a rotating unit 3 using a coupled resonant circuit.
  • a first oscillating circuit 6 having a first coil 4 and a first capacitor 5 is excited in the static unit 2 by an oscillator 7 .
  • a power 9 is inductively transmitted from the static unit 2 to a rotating unit 3 which has a second coil 10 and a second capacitor 18 connected to the second coil 10 , the second coil 10 and the second capacitor 18 form a second resonant circuit 19.
  • a third method step V3 data 14 is inductively transmitted from the rotating unit 3 to the static unit 2, the rotating unit 3 for data modulation having a switch 20 controlled by a sensor circuit 11 for modulating the resonant frequency of the coupled oscillating circuits.
  • a fourth step V4 of the method the resonant frequency of the received data is detected by a signal measuring device 15 in the static unit 2 .
  • FIG. 4 shows an electromechanical steering system 101 for a motor vehicle in a perspective, simplified representation obliquely from the front in the direction of travel of the vehicle.
  • the steering system 101 includes a steering column with a steering shaft 102.
  • the steering shaft 102 is mechanically coupled via a steering gear 103 to the steerable wheels 104 of a motor vehicle.
  • the steering gear 103 comprises a pinion 105 and a toothed coupling rod 106, the steering gear 103 serving to convert a rotational movement of the pinion 105 into a translational movement of the coupling rod 106 along its longitudinal axis.
  • a steering handle 107, in particular a steering wheel, for inputting a driver's steering request or steering command is arranged in a rotationally fixed manner on the end of steering shaft 102 facing the driver.
  • the coupling rod 106 which moves linearly along its longitudinal axis, is mechanically coupled to a tie rod 108 on both sides of the motor vehicle.
  • the tie rods 108 are in turn mechanically coupled to the vehicle wheels 104 respectively.
  • the steering gear 103 is thus designed to convert a steering command into a steering movement of the steerable wheels 104 of the motor vehicle, taking into account at least one input variable.
  • the steering system 1 further comprises a sensor device 140, shown only schematically in FIG. 4, which has a sensor 112 for detecting a torque.
  • the connecting line 130 in FIG. 4 symbolically represents the corresponding arrangement position of the sensor 112 on the steering shaft 102 in which the sensor 112 can detect a torque applied to the steering shaft 2 .
  • the sensor 112 comprises an electronic arrangement 1, as explained in particular with reference to FIG.
  • the rotating unit 3 is arranged on the steering shaft 102 in such a way that it also rotates when the steering shaft 102 rotates.
  • the static unit 2 is stationary so that it does not rotate when the steering shaft 102 rotates.
  • For power and data transmission between the rotating unit 3 and the static Unit 2 uses a proposed method for inductive power and data transmission, in particular a method as explained with reference to FIG.
  • the detected sensor signal is transmitted to a computing unit 135 assigned to sensor device 140 via a signal line, which can be wired or wireless.
  • the arithmetic unit 135 is part of the sensor device 140.
  • the arithmetic unit 135 can be a microcontroller circuit, in particular an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • Arithmetic unit 135 is designed to determine an input variable on the basis of the sensor signal and to make the input variable available via a signal line, which can be wired or wireless, in particular as a radio link, in particular to steering gear 103 or a control unit assigned to steering gear 103 (in 4 not shown).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronische Anordnung (1) zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit (2) und eine rotierende Einheit (3), wobei die statische Einheit (2) einen eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreis (6) umfasst, der durch einen Oszillator (7) anregbar ist. Die rotierende Einheit (3) umfasst eine zweite Spule (10) und einen Sensorschaltkreis (11), die an eine Spannungsversorgung (12) angeschlossen sind, wobei die erste Spule (4) und die zweite Spule (10) ein Spulenpaar (16) zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit (2) auf die rotierende Einheit (3) und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit (3) auf die statische Einheit (2) bilden, wobei an die zweite Spule (10) ein zweiter Kondensator (18) zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises (19) angeschlossen ist. Der zweite Schwingkreis (19) weist zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (6, 19) auf. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz weist die statische Einheit (2) eine Signal-Messvorrichtung (15) auf.

Description

Elektronische Anordnung, Sensor, elektromechanisches Lenksystem und Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung
Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zur induktiven Leistungs und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit und eine rotierende Einheit, wobei die statische Einheit einen eine erste Spule und einen ersten Kondensator aufweisenden ersten Schwingkreis umfasst, der durch einen Oszillator anregbar ist, und die rotierende Einheit eine zweite Spule und einen Sensorschaltkreis umfasst, die an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft zudem einen eine solche elektronische Anordnung umfassenden Sensor zur Drehwinkel- und/oder Drehmomentbestimmung, ein elektromechanisches Lenksystem mit einem Sensor zur Drehwinkel- und/oder Drehmomentbestimmung und ein Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit.
Drehmomentsensoren weisen herkömmlicherweise einen Drehwinkelsensor auf. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können. Ein solcher Drehmomentsensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 043 502 Al bekannt. An der oberen Lenkwelle ist dabei ein Ringmagnet angeordnet, während auf der unteren Lenkwelle ein Halter mit einem magnetischen Stator angebracht ist, welcher dem Dauermagneten in radialer Richtung über einen kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Über den Stator, welcher üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen besteht, wird der magnetische Fluss des Magneten hin zu einem ersten und einem zweiten Flussleiter geleitet, welche dann den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor - beispielsweise einen Hall-Sensor - abgeben. Ein solcher Drehmomentsensor wird aufgrund seiner Arbeitsweise auch als induktiver Drehmomentsensor bezeichnet.
Auf elektronischer Ebene ist zur Realisierung eines solchen induktiven Drehmomentsensors erforderlich, dass Leistung und Daten von dem rotierenden Teil, dem Rotor, zu dem statischen Teil, dem Stator, übertragen werden. Hierzu werden aus Redundanzgründen regelmäßig zwei Spulenpaare eingesetzt, wobei die Spulenpaare in jeder Relativposition zueinander eine Leistungsübertragung ermöglichen.
Problematisch bei einer solchen elektronischen Anordnung ist, dass diese aufgrund des Einsatzes von zwei Spulenpaaren, die in jeder Relativposition der beiden ein Paar bildenden Spulen zueinander eine Leistungsübertragung ermöglichen, nicht nur sehr kompliziert, sondern auch kostspielig ist und sich zudem als fehleranfällig für Interferenzeffekte zwischen den unterschiedlichen Spulenpaaren erwiesen hat, was die Gefahr von fehlerbehafteten, gegebenenfalls sogar Gefahr verursachenden, Messungen mit sich bringt.
Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Anordnung vorzuschlagen, die es auf einfache und kostengünstige Art und Weise erlaubt, eine induktive Leistungs- und Datenübertragung zwischen einem Stator und einem Rotor vorzunehmen, und dabei etwaige Interferenzeffekte minimiert.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte gattungsgemäße elektronische Anordnung, wobei die erste und die zweite Spule ein Spulenpaar zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen auf die rotierende Einheit und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden auf die statische Einheit bilden, wobei an die zweite Spule ein zweiter Kondensator zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis angesteuerten Schalter zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist und die statische Einheit eine Signal-Messvorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz aufweist.
Bei einer solchen elektronischen Anordnung bilden die erste und die zweite Spule ein Spulenpaar zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen auf die rotierende Einheit und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden auf die statische Einheit. Damit ist sowohl die Leistungs- als auch die Datenübertragung zwischen der statischen beziehungsweise rotierenden Einheit gewährleistet. Dabei ist an die zweite Spule ein zweiter Kondensator angeschlossen, wodurch neben dem ersten Schwingkreis in dem statischen Teil ein zweiter Schwingkreis in dem rotierenden Teil gebildet wird. Durch eine solche Anordnung wird auf geschickte Art und Weise eine Datenmodulation ermöglicht, indem ein über den Sensorschaltkreis angesteuerter Schalter die Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (dem ersten und zweiten Schwingkreis) moduliert. Zur Erfassung beziehungsweise Demodulation der Daten weist die statische Einheit eine Signal-Messvorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise auf. Auf diese Art und Weise kann die gewünschte Daten- und Leistungsübertragung durch die Realisierung eines gekoppelten Schwingkreises, also mit nur einem Spulenpaar, kostengünstig und einfach realisiert werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter zur Datenmodulation ein Paar von MOSFETs, wodurch vorteilhafterweise eine hohe Datenmodulation erreicht werden kann.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Oszillator, der den ersten Schwingkreis anregt, ein Royer-Oszillator. Ein solcher Royer-Oszillator ist besonders leistungsfähig und zeichnet sich zudem durch einen verlustarmen Betrieb aus. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung ist die Signal-Messvorrichtung ein Mikrocontroller zur Datendemodulation. Hierdurch kann neben der Sicherstellung einer hohen Datenrate auch eine preisgünstige Datendemodulation bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signal-Messvorrichtung durch eine digitale Logikeinheit, insbesondere ein ASIC oder FPGA, oder durch eine analoge Signalverarbeitung realisiert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung beträgt die Datenrate bis zu 900 kHz, liegt insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz, vorzugsweise im Bereich von 250 kHz bis 300 kHz oder von 500 kHz bis 600 kHz oder von 750 kHz bis 900 kHz erfolgt. Hierdurch können nicht nur hohe, sondern elektronisch besonders geeignete Datenraten verwendet werden.
Ferner betrifft die Erfindung einen Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes, wobei der Sensor eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung aufweist. Dieser Sensor zeichnet sich dank der kostengünstig herstellbaren elektronischen Anordnung durch besonders geringe Herstellungskosten aus. Insbesondere ist der Sensor ein Drehwinkelsensor und/oder eine Drehmomentsensor.
Weiter wird ein elektromechanisches Lenksystem vorgeschlagen, welches eine Lenkwelle, über die mittels einer Lenkhandhabe ein Lenkbefehl vorgegeben werden kann, ein Lenkgetriebe, welches dazu ausgebildet ist, einen Lenkbefehl unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eingangsgröße in eine Lenkbewegung von lenkbaren Rädern eines Kraftfahrzeugs umzusetzen, und eine Sensorvorrichtung zum Messen eines auf die Lenkwelle aufgebrachten Drehwinkels und/oder Drehmoments umfasst, wobei die Sensorvorrichtung einen Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes umfasst, wobei der Sensor eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung aufweist. Insbesondere ist der Sensor ein Drehwinkelsensor und/oder eine Drehmomentsensor mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektronischen Anordnung.
Vorteilhafterweise umfasst das Lenksystem zudem eine Recheneinheit, welche ausgebildet ist, basierend auf einem von dem Sensor bereitgestellten Sensorsignal die wenigstens eine Eingangsgröße bereitzustellen.
Insbesondere ist das Lenksystem ein Steer-by-Wire-Lenksystem.
Neben der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Anregen eines eine erste Spule und einen ersten Kondensator aufweisenden ersten Schwingkreises in der statischen Einheit durch einen Oszillator;
- Induktives Übertragen einer Leistung von der statischen Einheit auf die eine zweite Spule und einen an die zweite Spule angeschlossenen zweiten Kondensator aufweisende rotierende Einheit, wobei die zweite Spule und der zweite Kondensator einen zweiten Schwingkreis bilden;
- Induktives Übertragen von Daten von der rotierenden auf die statische Einheit, wobei die rotierende Einheit zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis angesteuerten Schalter zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist; - Messen der Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal-Messvorrichtung in der statischen Einheit.
Auf diese Art und Weise kann die gewünschte Daten- und Leistungsübertragung durch die Realisierung eines gekoppelten Schwingkreises, also mit nur einem Spulenpaar, kostengünstig und einfach realisiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses zum Betrieb eines Sensors, insbesondere eines Winkelsensors oder eines Drehmomentsensors, in einem Lenksystem eingesetzt, insbesondere zur Realisierung einer Steer-by-Wire-Lösung eingesetzt, wobei die durch die statische Einheit empfangenen Daten an eine ein Lenksystem steuernde Motorkontrolleinheit geleitet werden. In einem solchen Fall wirkt sich die durch das erfindungsgemäße Verfahren verringerte Interferenzgefahr positiv auf die mit einer Steer-by-Wire-Lösung realisierte Lenksicherheit aus.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren wird die Datenmodulation als Frequenzumtastung ausgeführt, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass eine besondere Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erreicht wird.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis derart gekoppelt, insbesondere so eng gekoppelt, dass sich beide Schwingkreise wie ein einzelner Schwingkreis verhalten, so dass die übertragbare Datenrate hierdurch vorteilhafterweise weiter verbessert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren. Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer vorbekannten elektronischen Anordnung zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische und eine rotierende Einheit mit zwei Spulenpaaren,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische und eine rotierende Einheit mit einem Spulenpaar,
Fig. 3: eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit unter Verwendung eines gekoppelten Schwingkreises und
Fig. 4: in einer perspektivischen Ansicht eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Lenksystem.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt beziehungsweise erwähnt.
Eine in Fig. 1 dargestellte vorbekannte elektronische Anordnung 1 zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfasst eine statische Einheit 2 und eine rotierende Einheit 3, wobei die statische Einheit 2 einen eine erste Spule 4 und einen ersten Kondensator 5 aufweisenden ersten Schwingkreis 6 umfasst, der durch einen Oszillator 7 anregbar ist. Dabei ist der Oszillator 7 durch eine Steuereinheit 8 angesteuert, indem elektrische Leistung 9 von der Steuereinheit 8 an den Oszillator 7 übermittelt wird, damit der erste Schwingkreis 6 angeregt wird. Die rotierende Einheit 3 umfasst eine zweite Spule 10 und einen Sensorschaltkreis 11, die an eine Spannungsversorgung 12 angeschlossen sind. Zudem weist eine solche vorbekannte elektronische Anordnung 1 ein zweites Spulenpaar zur Datenübertragung von einer rotierenden 3 auf eine statische 2 Einheit auf. Dabei wir die Datenübertragung durch einen Datenspulentreiber 13 angetrieben. Die von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 übertragenen Daten 14, insbesondere Drehwinkeldaten, werden durch die Signal-Messeinrichtung 15 der statischen Einheit 2 erfasst und zur Steuereinheit 8 weitergeleitet. Nachteilig bei einer solchen Anordnung sind die hohen Herstellungs- und Installationskosten durch die zwei Spulenpaare 16, 17. Zudem können die unterschiedlichen
Spulenpaare sich leicht untereinander beeinflussen, was zu einem unerwünschten Aufkommen von Störsignalen führen kann, die, bei einem Einsatz in einem Lenksystem, insbesondere einer Steer-by-Wire-Lösung, die Lenksicherheit negativ beeinflussen können.
Demgegenüber ist in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung 1 gezeigt, bei der lediglich ein Spulenpaar 16 zum Einsatz kommt. Dieses wird auf intelligente Art und Weise ermöglicht, indem dasselbe Spulenpaar 16 zur Daten- und Leistungsübertragung genutzt wird. Hierzu weist die erfindungsgemäße elektronische Anordnung 1 ein Spulenpaar 16 zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit 2 auf die rotierende Einheit 3 und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 auf, wobei an die zweite Spule 10 ein zweiter Kondensator 18 zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises 19 angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis 11 angesteuerten Schalter 20 zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist. Die Datendemodulation erfolgt in einer in der statischen Einheit 2 lokalisierten Signal-Messvorrichtung 15 zur Bestimmung der Resonanzfrequenz. Des Weiteren ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen Einheit 2 und einer rotierenden Einheit 3 unter Verwendung eines gekoppelten Schwingkreises dargestellt.
Dabei wird in einem ersten Schritt VI ein eine erste Spule 4 und einen ersten Kondensator 5 aufweisender erster Schwingkreis 6 in der statischen Einheit 2 durch einen Oszillator 7 angeregt.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt V 2 ein induktives Übertragen einer Leistung 9 von der statischen Einheit 2 auf eine rotierende Einheit 3, die eine zweite Spule 10 und einen an die zweite Spule 10 angeschlossenen zweiten Kondensator 18 aufweist, wobei die zweite Spule 10 und der zweite Kondensator 18 einen zweiten Schwingkreis 19 bilden.
In einem dritten Verfahrensschritt V3 werden induktiv Daten 14 von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 übertragen, wobei die rotierende Einheit 3 zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis 11 angesteuerten Schalter 20 zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist.
Abschließend wird in einem vierten Schritt V4 des Verfahrens die Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal- Messvorrichtung 15 in der statischen Einheit 2 erfasst.
Fig. 4 zeigt ein elektromechanisches Lenksystem 101 für ein Kraftfahrzeug in einer perspektivischen, vereinfachten Darstellung von schräg vorne in Fahrzeugfahrtrichtung. Das Lenksystem 101 umfasst eine Lenksäule mit einer Lenkwelle 102. Die Lenkwelle 102 ist dabei über ein Lenkgetriebe 103 mechanisch mit den lenkbaren Rädern 104 eines Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Lenkgetriebe 103 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Ritzel 105 und eine gezahnte Koppelstange 106, wobei das Lenkgetriebe 103 zur Übersetzung einer rotatorischen Bewegung des Ritzels 105 in eine translatorische Bewegung der Koppelstange 106 entlang deren Längsachse dient. An dem einem Fahrer zugewandten Ende der Lenkwelle 102 ist eine Lenkhandhabe 107, insbesondere ein Lenkrad, zur Eingabe eines Fahrerlenkwunsches bzw. Lenkbefehls drehfest angeordnet, wobei ein Fahrer die als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe 107 in bekannter Weise zur Eingabe seines Lenkbefehls drehen kann.
Die sich entlang ihrer Längsachse linear bewegende Koppelstange 106 ist in diesem Ausführungsbeispiel jeweils zu beiden Seiten des Kraftfahrzeugs mechanisch mit einer Spurstange 108 gekoppelt. Die Spurstangen 108 sind wiederum jeweils mit den Fahrzeugrädern 104 mechanisch gekoppelt. Das Lenkgetriebe 103 ist somit ausgebildet, einen Lenkbefehl unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eingangsgröße in eine Lenkbewegung der lenkbaren Rädern 104 des Kraftfahrzeugs umzusetzen.
Das Lenksystem 1 umfasst dazu weiter eine in Fig. 4 lediglich schematisch dargestellte Sensorvorrichtung 140, welche einen Sensor 112 zur Erfassung eines Drehmoments aufweist. Die Verbindungslinie 130 in Fig. 4 stellt dabei symbolisch die entsprechende Anordnungsposition des Sensors 112 an der Lenkwelle 102 dar, in welcher der Sensor 112 ein auf die Lenkwelle 2 aufgebrachtes Drehmoment erfassen kann. Der Sensor 112 umfasst dabei eine elektronische Anordnung 1, wie insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Die rotierende Einheit 3 ist dabei an der Lenkwelle 102 derart angeordnet, dass diese bei einer Drehbewegung der Lenkwelle 102 mitdreht. Die statische Einheit 2 ist ortsfest angeordnet, sodass diese sich bei bei einer Drehbewegung der Lenkwelle 102 nicht mitdreht. Für die Leistung- und Datenübertragung zwischen der rotierenden Einheit 3 und der statischen Einheit 2 wird ein vorgeschlagenes Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung angewendet, insbesondere ein Verfahren, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
Über eine Signalleitung, die kabelgebunden oder drahtlos ausgebildet sein kann, wird in diesem Ausführungsbeispiel das erfasste Sensorsignal an eine der Sensorvorrichtung 140 zugeordnete Recheneinheit 135 übertragen. Die Recheneinheit 135 ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil der Sensorvorrichtung 140. Insbesondere kann die Recheneinheit 135 eine Mikrocontroller-Schaltung sein, insbesondere eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Recheneinheit 135 ist dabei ausgebildet, auf Grundlage des Sensorsignals eine Eingangsgröße zu bestimmen und die Eingangsgröße über eine Signalleitung, die kabelgebunden oder drahtlos, insbesondere als Funkverbindung, ausgebildet sein kann, bereitzustellen, insbesondere dem Lenkgetriebe 103 beziehungsweise einer dem Lenkgetriebe 103 zugeordneten Regeleinheit (in Fig. 4 nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste
1 elektronische Anordnung
2 statische Einheit
3 rotierende Einheit
4 erste Spule
5 erster Kondensator
6 erster Schwingkreis
7 Oszillator
8 Steuereinheit
9 Leistung
10 zweite Spule
11 Sensorschaltkreis
12 Stromversorgung
13 Datenspulentreiber
14 Daten
15 Signal-Messeinrichtung
16 erstes Spulenpaar
17 zweites Spulenpaar
18 zweiter Kondensator
19 zweiter Schwingkreis
20 Schalter
101 elektromechanisches Lenksystem
102 Lenkwelle
103 Lenkgetriebe
104 Rad
105 Lenkritzel
106 Koppelstange
107 Lenkhandhabe
108 Spurstange 112 Sensor Verbindungslinie Recheneinheit Sensorvorrichtung

Claims

Ansprüche
1. Elektronische Anordnung (1) zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit (2) und eine rotierende Einheit (3), wobei die statische Einheit (2) einen eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreis (6) umfasst, der durch einen Oszillator (7) anregbar ist, und die rotierende Einheit (3) eine zweite Spule (10) und einen Sensorschaltkreis (11) umfasst, die an eine Spannungsversorgung (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (4) und die zweite Spule (10) ein Spulenpaar (16) zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit (2) auf die rotierende Einheit (3) und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit (3) auf die statische Einheit (2) bilden, wobei an die zweite Spule (10) ein zweiter Kondensator (18) zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises (19) angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist und die statische Einheit (2) eine Signal- Messvorrichtung (15) zur Bestimmung der Resonanzfrequenz aufweist.
2. Elektronische Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (20) ein Paar von MOSFETs ist.
3. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) ein Royer- Oszillator ist.
4. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Messvorrichtung (15) ein Mikrocontroller zur Datendemodulation ist.
5. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung mit einer Datenrate von bis zu 900 kHz, insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz, vorzugsweise im Bereich von 250 kHz bis 300 kHz oder von 500 kHz bis 600 kHz oder von 750 kHz bis 900 kHz erfolgt.
6. Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine elektronische Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
7. Elektromechanisches Lenksystem (101) umfassend eine Lenkwelle (102), über die mittels einer Lenkhandhabe (107) ein Lenkbefehl vorgegeben werden kann, ein Lenkgetriebe (103), welches dazu ausgebildet ist, einen Lenkbefehl unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eingangsgröße in eine Lenkbewegung von lenkbaren Rädern (104) eines Kraftfahrzeugs umzusetzen, und eine Sensorvorrichtung (140) zum Messen eines auf die Lenkwelle (102) aufgebrachten Drehwinkels und/oder Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (140) einen Sensor nach Anspruch 6 umfasst.
8. Lenksystem (101) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (135), welche ausgebildet ist, basierend auf einem von dem Sensor bereitgestellten Sensorsignal die wenigstens eine Eingangsgröße bereitzustellen.
9. Lenksystem (101) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem (101) ein Steer-by-Wire- Lenksystem ist.
10. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen Einheit (2) und einer rotierenden Einheit (3), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Anregen eines eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreises (6) in der statischen Einheit (2) durch einen Oszillator (7) (VI);
Induktives Übertragen einer Leistung (9) von der statischen Einheit
(2) auf die eine zweite Spule (10) und einen an die zweite Spule (10) angeschlossenen zweiten Kondensator (18) aufweisende rotierende Einheit (3), wobei die zweite Spule (10) und der zweite Kondensator (18) einen zweiten Schwingkreis (19) bilden (V2);
Induktives Übertragen von Daten (14) von der rotierenden Einheit
(3) auf die statische Einheit (2), wobei die rotierende Einheit (3) zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (6, 19) aufweist (V3);
Messen der Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal-Messvorrichtung (15) in der statischen Einheit (V4).
11. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Betrieb eines Sensors, insbesondere eines Winkelsensors oder eines Drehmomentsensors, in einem Lenksystem (101) eingesetzt wird, und die durch die statische Einheit (2) empfangenen Daten an eine ein Lenksystem steuernde Motorkontrolleinheit geleitet werden.
12. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenmodulation als Frequenzumtastung ausgeführt wird.
13. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingkreis (6) und der zweite Schwingkreis (19) derart gekoppelt sind, dass sich beide Schwingkreise (6, 19) wie ein einzelner Schwingkreis verhalten.
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