WO2019120688A1 - Geberradanordnung und verfahren zum ermitteln einer absolutwinkelposition und einer drehrichtung - Google Patents

Geberradanordnung und verfahren zum ermitteln einer absolutwinkelposition und einer drehrichtung Download PDF

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WO2019120688A1
WO2019120688A1 PCT/EP2018/078785 EP2018078785W WO2019120688A1 WO 2019120688 A1 WO2019120688 A1 WO 2019120688A1 EP 2018078785 W EP2018078785 W EP 2018078785W WO 2019120688 A1 WO2019120688 A1 WO 2019120688A1
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WO
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sensor
encoder wheel
teeth
signal
signals
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PCT/EP2018/078785
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Inventor
Eduard Rolew
Fabian Utermoehlen
Guy-Edward Michalski
Andre Yashan
Daniel Matthie
Thomas Preiss
Sven Neubauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/249—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using pulse code
    • G01D5/2497—Absolute encoders
    • G—PHYSICS
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    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
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    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/85—Determining the direction of movement of an encoder, e.g. of an incremental encoder

Definitions

  • the present invention relates to a Geberradan extract and a method for determining an absolute angular position and a rotational direction, in particular an electric machine (electric motor) by means of an asymmetric angular rotation of teeth of two Geberradspuren.
  • asynchronous machines or synchronous machines are used to realize traction in EVs. Both types of machines include a fixed stator and a rotating rotor.
  • the stator usually carries three staggered winding strands, these
  • Asynchronous machine the rotor consists of electrically conductive rods, which are short-circuited annularly at the ends. If a rotor field of the rotor now rotates, a voltage is induced in these bars which causes a current flow. The current flow in turn builds up a counter magnetic field, so that it comes to a rotational movement. Since the induced voltage becomes zero when the rotor field and the stator are rotating at the same speed, there is always a difference in rotational speed, called slip, which directly affects the torque of the machine.
  • the rotor In the synchronous machine, the rotor consists of a rotor carrying an exciting coil. In the exciter coil flows a direct current, which a generated static magnetic field. Alternatively, a permanent magnet can be used as a rotor. It is then a permanent magnet synchronous machine (PSM), which has a higher efficiency due to a powerless excitation and therefore is more suitable for traction applications.
  • PSM permanent magnet synchronous machine
  • the speed of the rotor is inherently identical to the speed of the exciter field.
  • the torque depends on a phase offset.
  • the phase offset is the angular difference between the stator field and the rotor.
  • stator coil signals in the case of the ASM, the speed of the rotor and in the case of PSM, the absolute angular position of the rotor must be known.
  • This is an electromagnetic transmitter, in which a rotor package is non-rotatably mounted on a shaft of the machine.
  • an exciting coil and two are circularly encircling on the stator
  • the exciter coil comes with a
  • inductive absolute angle sensors can be used.
  • a first sensor principle is based on the eddy current effect. This is a metallic target over Moving sensor coils, which are acted upon by alternating voltage and induce an eddy current in the target. This leads to a reduction of coil inductances and allows a connection in one
  • the disadvantage here is a high cross-sensitivity to mechanical installation tolerances (especially tilting of the target) and a possible locking of the frequencies to external interference (injection locking), since usually frequencies in the range of several tens MHz [megahertz] (preferably 20-50 MHz) be used.
  • the other sensor principle is based on coupled coils (eg according to EP 0 909 955 B1). This type of sensor is characterized in that in a single field coil
  • Receiver coils coupled and there induces a voltage.
  • a rotatably mounted, conductive target is needed, which in dependence of its angular position (relative to the coils) an inductive coupling between the exciter coil and the
  • the disadvantage here is a circuit complexity for providing signals and a lack of real-time capability of a
  • phase encoder and speed sensor are known (eg, according to DE 4011503 Al). This may be on the sensor side z. B. to Hall elements, which are mounted on a backbias magnet. If a ferromagnetic gear (target) rotates past the Hall elements, this leads to a change in the Hall voltage, since a magnetic circuit changes.
  • a Hall signal is advantageously converted by a comparator circuit or a Schmitt trigger into a digital signal which real-time capable z. B. can trigger the ignition of the VKM.
  • three sensors are usually used, which are arranged offset by 120 ° to each other electrically. This requires in addition to high sensor costs a complex installation, which is not always feasible for reasons of space. Disclosure of the invention
  • Described here in particular is a transmitter wheel arrangement for determining an absolute angle position and a direction of rotation of a rotor.
  • Transmitter wheel arrangement comprises a first sender wheel, which is non-rotatably connected to the rotor.
  • the first encoder wheel along its outer circumference on a first Geberradspur from a number n of evenly spaced teeth.
  • the Geberradan extract comprises a second Geberradspur which is arranged either circumferentially on a side surface of the first encoder wheel or on an outer circumference of a second encoder wheel which is rotatably connected to the first encoder wheel, wherein the second Geberradspur seen in the circumferential direction of the first Geberadspur, the same Number n of teeth as the first Geberradspur has.
  • the teeth of the second Geberradspur have an asymmetric angular offset to the teeth of the first Geberradspur.
  • the encoder wheel arrangement comprises a first sensor, which is set up for scanning the first encoder wheel track, wherein the first sensor has at least one magnetic field sensor element whose sensor surface is arranged in a first plane. Furthermore, the encoder wheel arrangement comprises a second sensor, which is set up for scanning the second encoder wheel track, wherein the second sensor has a sensor surface which is arranged in a second plane, wherein the first plane and the second plane an angle s smaller than 180 ° to each other lock in. In addition, the includes
  • Transmitter wheel assembly a controller communicatively connected to the first sensor and the second sensor.
  • the controller is one Determining the absolute angle position and determining the direction of rotation based on a binary signal set.
  • the binary signal is derived from a first signal of the first sensor and a second signal of the second sensor.
  • the encoder wheel assembly is in particular for determining the
  • the first donor wheel track and the second donor wheel track rotate at the same angular velocity as the rotor.
  • the diameter of the first sender wheel may be, for example, in the range between a few tens of millimeters to several hundred millimeters and more preferably between about 50 mm [millimeters] to 350 mm.
  • the width B of the first donor wheel may preferably be between about 5 mm to 20 mm, and particularly preferably 8 mm.
  • the teeth of the second Geberradspur in contrast to the regularly arranged teeth of the first Geberradspur each have an asymmetric angular offset V to the teeth of the first Geberradspur.
  • the angular offset V of each tooth of the second Geberradspur to the respective corresponding tooth of the first Geberradspur is either positive or negative.
  • each angle offset V may preferably be the same in magnitude.
  • An angular offset V between the teeth of the first encoder wheel track and the corresponding teeth of the second encoder wheel track can be constant in terms of magnitude and preferably amount to between 20% [percent] and 50% and particularly preferably in terms of amount 30% of a length L of the teeth.
  • each tooth of the second donor wheel track is either at a positive offset before the corresponding tooth of the first donor wheel track or at a negative offset after that
  • the angular offsets of all pairs of teeth of the teeth of the first Geberradspur with the corresponding teeth of the second Geberradspur result in a sequence of offsets, hence a coding.
  • the teeth can here be both protrusions with intermediate recesses, but also other markings (colors, dopants (magnetic, radioactive, ...), etc.), which allow a distinction between tooth and gap.
  • the geometry can also be realized as a perforated plate, in which a hole corresponds to a gap and the material of the sheet to the tooth equivalent.
  • an alternately magnetized donor wheel can also be used, for example.
  • the number n of teeth (and gaps) can be maximized to ensure a high angular position resolution of the encoder wheel assembly.
  • the number of teeth may be n> 8p, where p is the number of pole pairs of the electric machine to allow a robust and sufficiently accurate commutation.
  • a length L of a tooth and a length S of a gap are limited by the fact that the (magnetic) contrast (eg Hall voltage difference in Hall sensors) must be sufficiently large when passing through a tooth or a gap.
  • a length S of a gap of the first donor wheel track may be about 10% greater than the length L of a tooth, and more preferably between about 2 mm to 5 mm, particularly preferably 3.5 mm.
  • the height H of a tooth is not limited to the top and need only be sufficient for a tooth to be distinguished from a gap.
  • the first sensor and the second sensor must be able to distinguish the teeth of the first and second Geberradspur of intermediate gaps.
  • magnetic field sensors can be used.
  • the first signal of the first sensor and the second signal of the second sensor can preferably be converted into a digital signal by means of analog-to-digital conversion.
  • the first signal and the second signal can be converted by a comparator circuit or a Schmitt trigger in each case a digital signal.
  • the conversion to a digital signal can be done in the first and second sensor or in the controller.
  • the controller is communicatively connected to the sensors and processes their signals to determine the absolute angle position and the direction of rotation.
  • the controller may be an integrated circuit.
  • An integrated circuit may be a microcontroller (pC) or an application specific integrated circuit (ASIC) or an application specific standard product (application specific standard product). ASSP) or field programmable gate array (FPGA) or the like.
  • An integrated circuit may be a microcontroller (pC) or an application specific integrated circuit (ASIC) or an application specific standard product (application specific standard product). ASSP) or field programmable gate array (FPGA) or the like.
  • pC microcontroller
  • ASIC application specific integrated circuit
  • ASSP application specific standard product
  • FPGA field programmable gate array
  • Circuit may include volatile or non-volatile memory.
  • the volatile memory may be a random access memory
  • the non-volatile memory can be a secondary storage such.
  • the controller may be integrated in a control unit of the electric machine.
  • the absolute angle position and the direction of rotation of the rotor can be determined.
  • the angular offset of two teeth is a relative rotation of the
  • Transducer wheel tracks realized and used to generate a binary value (logical 0 or logical 1).
  • a binary value (logical 0 or logical 1).
  • a special coding based on the asymmetrical (alternating positive and negative) angular offset, the direction of rotation and the
  • the corresponding encoder wheel arrangement is designed such that it can be detected within a first electrical revolution, whether a torque is delivered in a wrong direction of rotation.
  • the absolute angle position can also be detected.
  • the controller receives the first signal of the first sensor, which detects the teeth of the first Geberradspur, and the second signal of the second sensor, which detects the teeth of the second Geberradspur.
  • the binary signal is derived from the first signal and the second signal.
  • the derivation of the binary signal can be done, for example, by subtraction of the first signal and the second signal, based on the respective positive or negative angular offset of the teeth of the second
  • the binary signal may correspond to a logic 1 when a tooth of the second donor wheel track is detected before a corresponding tooth of the first donor wheel track, and a logic 0 when a tooth of the second donor wheel track is detected after a corresponding tooth of the first donor wheel track, or vice versa.
  • the binary signal can be directly from the controller be derived via a phase measurement of the two signals of the sensors. Therefore, for each pair of teeth, consisting of a tooth of the first Geberradspur and a corresponding tooth of the second Geberradespur, based on their angle offset it a binary value, which is determined by means of the two signals of the sensors.
  • the binary signal results in an asymmetrical sequence reflecting the asymmetric coding which is based on the asymmetric angular offset of the teeth of the second donor wheel track to the teeth of the first donor wheel track.
  • a special coding and thus a special arrangement of the teeth of the second encoder wheel track can take place.
  • Angular offsets V For example, 00000 or 11111 is not allowed for five-digit encoding.
  • Angle offsets V allowed which does not lead to encodings, which can be converted by a bit shift (to the left or right) in symmetric encodings.
  • the coding 00001111 can be transferred by a two-position shift to the right in 11000011, so that a
  • a starting angle is first determined from the first electrical revolution by means of the asymmetrical angular offset and the resulting coding (pattern recognition). Subsequently, the current absolute angular position can be determined continuously by summation of incremental angles derived from the binary signal and added to the starting angle or the previous absolute angle position become.
  • the smallest possible incremental angle which can be determined with the encoder wheel arrangement, depends on the number n of teeth on the
  • Rotation analogous to the determination of the starting angle, based on the encoding by the asymmetric angular offset, an analysis of the binary signal (pattern recognition), from which the direction of rotation can be derived clearly.
  • Sensors can be achieved in conjunction with a minimum of installation space.
  • advantageous embodiments are possible which use only one encoder wheel, which also has a more favorable installation situation. This leads to a cost reduction during assembly and repairs.
  • the encoder wheel geometry allows an integrity determination according to A-SIL D (ISO 26262), since all errors (eg missing tooth) within a
  • first plane of the first sensor and the second plane of the second sensor include an angle s which is greater than 60 ° and less than 120 ° and is preferably greater than 85 ° and less than 95 ° and in particular 90 ° is.
  • a normal vector of the first plane (ie, a direction perpendicular to the first plane) may preferably be oriented perpendicular to the end faces of the teeth of the first Gerberradspur, while the normal vector of the second plane is preferably oriented perpendicular to the end faces of the teeth of the second Geberradspur.
  • the first sensor and the second sensor each comprise at least two magnetic field sensor elements.
  • the first signal and the second signal are in each case differential signals from measurement signals of the at least two magnetic field sensor elements of the corresponding sensor.
  • Magnetic field sensor elements of a sensor has a logical 1, when the difference of the measuring signals falls below a predetermined lower limit and a logic 0, when the difference of the measuring signals exceeds a predetermined upper limit, or vice versa.
  • a digital difference signal of the individual sensors is passed on directly to the controller.
  • the first sensor is configured to generate at least two first signals and the second sensor to generate at least two second signals in each case.
  • a sensor comprises at least three magnetic field sensor elements from the measuring signals of at least two
  • Magnetic field sensor elements are used per sensor and at least two differential signals are determined from the measurement signals. Then there is an additional plausibility check by a phase measurement of each correspondingly associated difference signals of the first and the second sensor possible.
  • the controller is set up to determine the direction of rotation based on the at least two first signals or the at least two second signals.
  • One of the at least two signals from one sensor follows the other signal from the sensor. This lagging manifests itself in a phase shift. From the phase shift, the direction of rotation of the rotor can be determined with only one of the two sensors.
  • Magnetic sensor element or a sensor element arrangement which is in the direction of rotation further forward, is ahead of a signal from the sensor, which originates from a magnetic field sensor element or a sensor element arrangement (difference signal), which lies further back in the direction of rotation.
  • Magnetic field sensor element of the first sensor and / or the second sensor a Hall sensor element.
  • the teeth of the first donor gear or the teeth of the second donor gear are ferromagnetic.
  • Magnetic field sensor elements and in particular Hall sensor elements in combination with ferromagnetic teeth provide a particularly accurate and robust, yet cost-effective way to detect the teeth of a sensor wheel.
  • Encoder wheel arrangement the absolute angle position and the direction of rotation of a rotor of a machine such as an electric machine (electric motor) or VKM be determined.
  • the described method is a method for determining a
  • the method comprises the steps of: a) receiving a first signal from a first sensor scanning a first encoder wheel rotatably connected to the rotor, the first encoder wheel having along its outer periphery a first donor wheel track of a number n of evenly spaced teeth having;
  • the first sensor has at least one magnetic field sensor element whose sensor surface is arranged in a first plane
  • the second sensor comprises at least one magnetic field sensor element arranged on a second plane, wherein the first plane and the second plane enclose an angle s smaller than 180 ° to each other, c) deriving a binary signal from the first signal and the second one
  • the method is particularly suitable for determining the absolute angular position and direction of rotation of a rotor of an electric machine (electric motor).
  • the method is particularly applicable with a Geberradan angel as described above.
  • the present method essentially implements the functionality of the previously described regulator of the transmitter wheel arrangement, so that in principle the same technical means can be used and the same advantages can be achieved.
  • the first signal gives the time sequence of the even in the first
  • the second signal indicates the time sequence of the teeth of the second Geberradspur
  • the binary signal is derived, preferably by subtraction, which outputs a logical 1 when a tooth of the second Geberradspur is arranged in the circumferential direction in front of the corresponding tooth of the first Geberradspur, that has a positive offset, and a logical 0, when a tooth of the second Geberradspur is arranged in the circumferential direction to the corresponding tooth of the first Geberradspur, that has a negative offset, or vice versa.
  • an asymmetrical sequence reflecting an asymmetric coding corresponding to the asymmetric angular offset of the teeth of the second donor wheel track to the teeth of the first donor wheel track is indicated by the binary signal.
  • the coding is so asymmetrical that for each starting angle clearly the absolute angle position and the direction of rotation after an electrical revolution from the binary signal by a
  • Pattern recognition can be determined. For the momentary
  • Absolute angle position can be determined by pattern recognition at the beginning of the rotation, a starting angle after the first electrical rotation of the rotor from the first asymmetric sequence, which provides the binary signal derived from the first signal and from the second signal. Subsequently An incremental angle to the starting angle or the respective previous absolute angle position can be continuously added to the current one
  • the direction of rotation can be determined directly from the asymmetrical sequence after an electrical revolution by pattern recognition.
  • the first signal and the second signal are each differential signals from measurement signals of at least two
  • Magnetic field sensor elements of the corresponding sensor Magnetic field sensor elements of the corresponding sensor.
  • Magnetic field sensor elements of a sensor has a logical 1, when the difference of the measuring signals falls below a predetermined lower limit and a logic 0, when the difference of the measuring signals exceeds a predetermined upper limit, or vice versa.
  • a digital difference signal of the individual sensors is passed on directly to the controller.
  • the direction of rotation is determined based on the at least two first signals or the at least two second signals in step e).
  • One of the at least two signals lags behind the other signal.
  • Phase shift the direction of rotation of the rotor can be determined with only one of the two Geberradspuren.
  • the signal to a sensor wheel track which originates from a magnetic field sensor element or a magnetic field sensor element arrangement (forward) leads a signal to the sensor wheel track, which originates from a magnetic field sensor element or a magnetic field sensor element arrangement (difference signal). in the
  • Phase shift between the signals to a Geberradspur be closed in the direction of rotation of the rotor, without having to watch the signals of the other Geberradspur with. Due to the at least two signals, there are redundant information with respect to the direction of rotation of the first encoder wheel track and the second encoder wheel track, so that a plausibility check can be carried out, which increases the robustness.
  • a starting angle is carried out in step d) based on a test pulse method or a current pulse method.
  • Test pulse method or current pulse method are used. This involves phases of an electrical machine with small test currents
  • Encoder wheel arrangement is not limited thereto. Show it:
  • Fig.lA a schematic representation of a first embodiment of a Geberradaniser for determining a
  • Fig.lB a schematic representation of a second
  • Fig.lC a schematic representation of a third embodiment of a Geberradaniser for determining a
  • Fig.lD is a schematic representation of a fourth embodiment of a Geberradaniser for determining a
  • Absolute angle position and one direction of rotation of a rotor 2A and 2B: a schematic representation of a first sensor wheel and a first sensor;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a magnetic field sensor arrangement and a transmitter wheel
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram of a method for
  • Fig. 7 is a plan view of a side wall of the embodiment of Fig. ID.
  • FIG. 1A schematically shows a transmitter wheel arrangement 10, which has, for example, a first transmitter wheel 12a and a second transmitter wheel 12b.
  • the encoder wheels 12a, 12b are rotatably supported about a common axis 13.
  • the axis 13 extends in FIG. 1A in the z-direction of the illustrated coordinate system.
  • the x-axis, y-axis and z-axis of the representation form a right-angled
  • the drawing plane in Fig. 1A is the yz plane.
  • the axis 13 penetrates the two donor wheels preferably in the center of gravity and advantageously coincides with a rotational axis of an electric machine (not shown) together.
  • the encoder wheels 12a, 12b respectively have teeth 14a and teeth 14b and gaps 15a and 15b.
  • the teeth may be made of a ferromagnetic material.
  • the teeth 14a and gaps 15a of the first encoder wheel 12a form a first encoder wheel track 120a on the outer circumference of the first Transmitter wheel 12a.
  • the teeth 14b and gaps 15b of the second encoder wheel 12b form a second encoder wheel track 120b.
  • the encoder wheels 12a, 12b may have the same axial dimensions (width B) and different diameters. The detection of the teeth 14a, 14b and gaps 15a, 15b of the encoder wheels 12a,
  • first sensor 16a designed as a Hall sensor for the first encoder wheel 12a or a second sensor 16b designed as a Hall sensor for the second encoder wheel 12b.
  • the sensors 16a, 16b are connected to a controller 17, which is designed as an integrated circuit.
  • FIG. 2A schematically illustrates the first sender wheel 12a with the teeth 14a and the gaps 15a in the x-y plane.
  • the teeth 14a of the first sender wheel track 120a are equally spaced along an outer periphery of the first sender wheel 12a.
  • the first sensor 16a is disposed at a certain distance from the first sender wheel 12a so that it can distinguish the passing teeth 14a from the gaps 15a.
  • the first sensor 16a or its magnetic field sensor elements are arranged with their sensor surfaces in a plane whose normal vector is oriented perpendicular to the end face of the teeth 14a of the first encoder wheel track 120a, when these teeth face the sensor surface.
  • the second sensor 16b is disposed on the second sender wheel 12b, however, the teeth 14b are not uniformly spaced along a circumference of the second sender wheel 12b (not shown in FIG. 2A).
  • the second sender wheel 12b is embodied on its outer circumference, for example, as a truncated cone or as a crown wheel.
  • the second sensor 16b, or its magnetic field sensor elements are arranged with their sensor surfaces in a plane whose normal vector is preferably oriented approximately perpendicular to the end face of the teeth 14b of the second Geberradspur 120b.
  • the first sensor 16a supplies a first signal to the controller 17 when scanning the first encoder wheel track 120a and the second sensor 16b supplies a second signal to the controller 17 when scanning the second encoder wheel track 120b.
  • Fig. 2B schematically illustrates two teeth 14a and a gap 15a of the first encoder wheel 12a.
  • the teeth 14a all have an equal length L and a same height H. Since the teeth 14a are uniformly spaced along the outer periphery of the first sender wheel 12a, the gaps 15a all have an equal length S.
  • the length S of the gaps 15a is about 10% greater than the length L of the teeth 14a and may be 3.5, for example mm.
  • the height H of the teeth 14a may be at least 3.5 mm, but is not limited to the top.
  • the end faces of the teeth 14b of the second encoder wheel track 120b are not only inclined with respect to the strin sides of the teeth 14a of the first encoder wheel track 120a, but in particular are not uniformly spaced along the outer circumference of the second encoder wheel 12b. Therefore, although the teeth 14b may have the same length L and the same maximum height H as the teeth 14a, the gaps 15b are not equal in length (not shown in Fig. 2B).
  • a uniform geometry of the teeth and a sufficient height difference between the teeth and the gaps ensures that the sensors 16a, 16b designed as Hall sensors can reliably distinguish the teeth from the gaps and that each tooth generates a precisely defined measurement signal.
  • FIG. 3 schematically shows a Hall sensor 16, which may correspond, for example, to the first sensor 16a associated with the first encoder wheel 12a.
  • the Hall sensor 16 comprises a permanent magnet (backbias magnet) 21 and three magnetic field sensor elements 22a-22c designed as Hall sensor elements.
  • a magnetic north pole and a south magnetic pole of the magnet 21 are substantially tangential along a plane El whose
  • Normal vector is oriented perpendicular to the axis 13 and the z-axis.
  • the magnetic field sensor elements 22a-22c are, for example, between the
  • Hall sensor elements formed magnetic field sensor elements 22a-22c each lateral extents in the range of a few mm.
  • a width is between a front edge of the Hall sensor element 22a and a rear one Edge of the Hall sensor element 22c 1 mm to 2 mm more than the length L of a tooth and more preferably between 4 mm and 8 mm.
  • the Hall sensor 16 thus has at least two magnetic field sensor elements 22a-22c which are arranged tangentially to the circumferential direction u of the first encoder wheel track 120a one behind the other in a first plane E1, wherein the
  • Magnetic field sensor elements 22a - 22c have sensor surfaces whose
  • Normal vector is oriented in each case perpendicular to the end faces of the teeth 14a of the first encoder wheel 12a, when these teeth the sensor 16th
  • the second sensor 16b is inclined at an angle relative to the first sensor 16a.
  • the second sensor 16b may be constructed identical to the first sensor 16a.
  • the second sensor 16b may comprise three magnetic field sensor elements 22a-22c arranged one behind the other in a second plane E2 whose normal vector is oriented perpendicular to the end faces of the teeth 14b of the second encoder wheel track 120b, when these teeth, as shown in FIG Opposite sensor 14b.
  • the first plane E1 of the first sensor 16a and the second plane E2 of the second sensor 16b enclose an angle s smaller than 180 ° to each other in the y-z plane, as shown schematically in FIG.
  • the first plane E1 and the second plane E2 may include an angle s which is preferably greater than 60 ° and less than 120 °, particularly greater than 85 ° and less than 95 °, and in particular 90 °.
  • FIG. 1B shows a schematic representation of a second embodiment of a sensor wheel arrangement for determining an absolute angular position and a direction of rotation of a rotor.
  • both encoder wheels 12a and 12b are provided with a frusto-conical outer circumference. Due to the inclination of each sensor 16a and 16b, which in each case is opposite to its associated Geberradspur, can be set in a simple manner, a smaller angle s between the plane El of the first sensor 16a and the plane E2 of the second sensor 16b as in Fig. 1A.
  • Fig. IC shows a schematic representation of a third embodiment of a Geberradan extract for determining an absolute angular position and a rotational direction of a rotor.
  • the maximum Diameter of the second encoder wheel 12b formed much smaller than the maximum diameter of the first encoder wheel 12a. The distance between the two sensors 16a and 16b can be increased thereby, without the lateral dimensions of the encoder wheel in the z direction would have to be increased.
  • Fig. ID shows a schematic representation of a fourth embodiment of a Geberradan extract for determining an absolute angular position and a rotational direction of a rotor.
  • the encoder wheel arrangement according to FIG. ID only one encoder wheel 12a is used.
  • the first donor wheel track 120a is formed by teeth 14a and gaps 15a on the front side of the donor wheel 12.
  • the second encoder wheel track 120a is formed by teeth 14a and gaps 15a on the front side of the donor wheel 12.
  • Encoder wheel track 120b is arranged annularly on a side wall 130 of the encoder wheel 12a.
  • the second encoder wheel track 120b can be introduced, for example, by milling.
  • the first plane E1 of the first sensor 16a and the second plane E2 of the second sensor 16b here enclose an angle s of approximately 90 °.
  • FIGS. 4A and 4B each show a signal characteristic of a Hall sensor 16 in the case of a rotating transducer wheel 12.
  • Mgnetfeldsensor institute 22b and 22c output in a second channel. If in each case the difference of the Hall voltages exceeds an upper limit value, a logical 0 is output by an integrated circuit, which is not shown in the Hall sensor 16 (eg ASIC). If the difference of the Hall voltages falls below a lower limit value, the corresponding one changes
  • Encoder wheels 12a, 12b, the differential signals 23, 24 are electrically out of phase by 90 ° and allow detection of the direction of rotation. There may be other phase shifts.
  • a direction of rotation 25a is shown in the clockwise direction.
  • one of the teeth 14 first passes the front magnetic field sensor element 22a.
  • the middle magnetic field sensor element 22b is passed by the tooth 14.
  • the first difference signal 23 outputs a logical 1 since the difference of the Hall voltage of the front magnetic field sensor element 22a and the middle one
  • Magnetic field sensor element 22b falls below the lower limit.
  • the second difference signal 24 continues to be a logical 0, since the
  • the second difference signal 24 outputs a logic 1.
  • the first difference signal 23 leads the second difference signal 24 during rotation in
  • Fig. 4B is a direction of rotation 25 b against the
  • Magnetic field sensor element 22a passes from one of the teeth 14. Therefore, first the second difference signal 24 outputs a logical 1, and the first difference signal 23 follows the second difference signal 24 out of phase.
  • the encoder wheel arrangements in FIGS. 1A to 1C comprise the first transmitter wheel 12a and the second transmitter wheel 12b in combination with the first sensor 16a and the second sensor 16b in order to be able to determine the absolute angle position after one electrical revolution.
  • the encoder wheel arrangement 10 in FIG. 1d comprises only one encoder wheel 12a, which has the first encoder wheel track 120a and the second encoder wheel track 120b, in order to be able to determine the absolute angle position after one electrical revolution.
  • the first donor wheel track 12a may be a regular one
  • the second encoder wheel track 120b may have the same number n of teeth 14b as the first encoder wheel track 120a. However, the teeth 14b of the second encoder wheel track 120b are arranged offset in a positive or a negative direction with respect to the teeth 14a of the first encoder wheel track 120a with respect to an arbitrarily selected direction of rotation.
  • FIG. 5 A corresponding unwound top view of sensor wheel tracks 120a and 120b is shown in FIG. 5.
  • An angular offset V between two teeth 14a of the first encoder wheel track 120a and the teeth 14b of the second encoder wheel track 120b can amount to a constant 35% of the length L of the teeth 14a, 14b.
  • Difference signal 24 of the first sensor 12a and the second sensor 12b are respectively generated a first and a second binary signal.
  • a logical 1 corresponds to the moment when one of the teeth 14b of the second encoder wheel track 120b is detected in front of the corresponding tooth 14a of the first encoder wheel track 12a.
  • a logical 0 of the binary signals corresponds to the moment when one of the teeth 14b before
  • the binary signals are determined directly by the controller 17 via a phase measurement of the two differential signals 23, 24.
  • each pair of teeth consisting of one of the teeth 14a of the first Geberradspur 12a and the corresponding tooth 14b of the second Geberradspur 12b, based on their angle offset V it is a binary value based on the two difference signals 23 and 24 of the sensors 16a, 16b is determined as a binary signal.
  • a special arrangement (coding) of the teeth 14a, 14b with respect to one another is present. This arrangement is an asymmetrical angular offset in the sense that a clockwise direction of rotation 25a can be discriminated from a reverse counterclockwise rotation 25b.
  • Absolute angle position can be determined. If an initial position of the first encoder wheel track 120a and the rotatably connected second encoder wheel track 120b is different, the (8bit) sequence changes, but the (8bit) sequences in a clockwise direction of rotation 25a can always be clearly distinguished from the (8bit) ones. Consequences of a direction of rotation 25b counterclockwise to be distinguished. With the asymmetrical offset of the teeth 14a, 14b relative to one another as shown in FIG. 5, the following (8-bit) sequences result:
  • the first (8-bit) sequence becomes the asymmetric coding or the asymmetrical angular offset of the teeth 14b relative to the corresponding teeth 14a
  • Absolute angle position can be determined, the known
  • Test pulse method or the current pulse method used.
  • phases of the electrical machine are subjected to small test currents and coil impedances are measured. These can then be used to deduce the initial absolute angle position (especially for PSM).
  • Difference signals 23 and second difference signals 24 possible.
  • FIG. 6 shows a flow chart of a method for determining a
  • Absolute angle position and one direction of rotation of a rotor After an optional initialization 1, a first signal from the first sensor 16a is received continuously at a first reception 2, and a second signal from the second sensor 16b at a second reception 3. From the first and second signal, each of which may be one or more differential signals 23, 24, the binary signal is continuously derived at a derivative 4.
  • the current absolute angular position is determined continuously.
  • the starting angle can alternatively also be determined by a test pulse method or a
  • the direction of rotation is determined after one electrical revolution from the binary signal or alternatively from the two difference signals 23, 24 of the first sensor 12a or the second sensor 12b.

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Abstract

Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors, umfassend: ein erstes Geberrad, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das erste Geberrad entlang seines Außenumfangs eine erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen aufweist; eine zweite Geberradspur, die entweder umlaufend an einer Seitenfläche des ersten Geberrades oder an einem Außenumfang eines zweiten Geberrades angeordnet ist, das drehfest mit dem ersten Geberrad verbunden ist und die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist, wobei die Zähne (14b) der zweiten Geberradspur jeweils einen Winkelversatz (V) zu den Zähnen (14a) der ersten Geberradspur aufweisen; einen ersten Sensor zum Abtasten des ersten Geberradspur eingerichtet ist, einen zweiten Sensor zum Abtasten der zweiten Geberradspur, wobei eine durch eine Sensorfläche des ersten Sensors definierte Sensorfläche und eine durch eine Sensorfläche des zweiten Sensors definierte zweite Ebene einen Winkel σ kleiner als 180° zueinander einschließen, wobei ein binäres Signal aus einem ersten Signal des ersten Sensors und einem zweiten Signal des zweiten Sensors abgeleitet ist, eine Steuerung, die mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor kommunikativ verbunden ist, wobei die Steuerung zu einem Ermitteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermitteln der Drehrichtung mittels eines Kodes eingerichtet ist, welcher aus dem binären Signal bestimmt wird, wobei die Kodierung mittels Paaren aus je einem Zahn der ersten und der zweiten Geberradspur eindeutig die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung ergibt.

Description

Beschreibung
Titel:
Geberradanordnung und Verfahren zum Ermiteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geberradanordnung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine (Elektromotor) mittels einer asymmetrischen Winkelverdrehung von Zähnen zweier Geberradspuren.
Stand der Technik
Für die Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen (EVs) sind elektrische Maschinen (Elektromotoren) im Fokus der momentanen Entwicklung. Im Wesentlichen werden Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen für die Realisierung der Traktion in EVs verwendet. Beide Arten von Maschinen weisen einen ortsfesten Stator und einen sich drehenden Rotor auf. Der Stator trägt in der Regel drei zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei diese
insbesondere um einen Winkel von 120° [Grad] / p versetzt sind und p eine Anzahl an Polpaaren der Maschine repräsentiert. Im Fall einer
Asynchronmaschine (ASM) besteht der Rotor aus elektrisch leitfähigen Stäben, die an den Enden ringförmig kurzgeschlossen sind. Dreht sich nun ein Rotorfeld des Rotors, wird in diesen Stäben eine Spannung induziert, die einen Stromfluss hervorruft. Der Stromfluss baut wiederum ein Gegenmagnetfeld auf, sodass es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Da die induzierte Spannung Null wird, wenn das Rotorfeld und der Stator gleich schnell drehen, stellt sich immer eine Drehzahldifferenz ein, die als Schlupf bezeichnet wird und die sich direkt auf ein Drehmoment der Maschine auswirkt.
Bei der Synchronmaschine besteht der Rotor aus einem Läufer, der eine Erregerspule trägt. In der Erregerspule fließt ein Gleichstrom, welcher ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann auch ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM), die aufgrund einer leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad hat und demnach für Traktionsanwendungen geeigneter ist. Die Drehzahl des Rotors ist prinzipbedingt identisch zur Drehzahl des Erregerfeldes. Das Drehmoment hängt von einem Phasenversatz ab. Der Phasenversatz ist die Winkeldifferenz zwischen dem Statorfeld und dem Rotor.
Zur Ansteuerung einer Leistungselektronik und einer entsprechenden
Bereitstellung der Statorspulensignale, muss im Fall der ASM die Drehzahl des Rotors und im Fall der PSM die Absolutwinkelposition des Rotors bekannt sein.
In beiden Fällen ist unter anderem aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung des Rotors zu bestimmen.
Um diese Größen zu ermitteln, wird häufig ein Resolver verwendet. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehfest auf einer Welle der Maschine montiert ist. Zudem sind kreisringförmig umlaufend auf dem Stator eine Erregerspule sowie zwei
Empfangsspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem
Wechselspannungssignal im Bereich von einigen zehn kHz [Kilohertz] (Frequenz bevorzugt 10 - 80 kHz) beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem Wechselfeld. Absolutwinkelpositionsabhängig wird nun in der ersten Empfangsspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert, während in der zweiten Empfangsspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Dabei benötigt der Resolver relativ viel Bauraum, zieht eine komplexe Signalbereitstellung sowie -aufbereitung nach sich und muss mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden. Ferner ist im Falle eines Defekts ein Austausch nur mit erheblichem Aufwand möglich, da nahezu die komplette Maschine zerlegt werden muss. Neben elektromagnetischen Resolvern gibt es auch optische Resolver (z. B. gemäß DE 10 2013 203937), die neben hohen Kosten eine erhebliche Querempfindlichkeit gegenüber
Verschmutzung aufweisen und demzufolge nicht in jedem Umfeld einsetzbar sind.
Alternativ können induktive Absolutwinkelsensoren verwendet werden. Es sind im Wesentlichen zwei Sensorprinzipien bekannt: Ein erstes Sensorprinzip basiert auf dem Wirbelstromeffekt. Hierbei wird ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit Wechselspannung beaufschlagt werden und in dem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt zu einer Reduzierung von Spuleninduktivitäten und ermöglicht über eine Verschaltung in einem
Schwingkreis basierend auf einer Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Nachteilig ist dabei eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber mechanischen Einbautoleranzen (vor allem Verkippung des Targets) sowie ein mögliches Locking der Frequenzen auf Störungen von außen (Injection Locking), da üblicherweise Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz [Megahertz] (bevorzugt 20 - 50 MHz) verwendet werden. Das andere Sensorprinzip basiert auf gekoppelten Spulen (z. B. gemäß EP 0 909 955 Bl). Dieser Typ von Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer einzigen Erregerspule ein
elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches in mehrere
Empfangsspulen koppelt und dort jeweils eine Spannung induziert. Für die Messung der Absolutwinkelposition wird ein drehbar gelagertes, leitfähiges Target benötigt, welches in Abhängigkeit seiner Winkelstellung (relativ zu den Spulen) eine induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und den
Empfangsspulen beeinflusst. Nachteilig sind dabei ein Schaltungsaufwand zur Bereitstellung von Signalen sowie eine fehlende Echtzeitfähigkeit einer
Signalverarbeitung. Speziell bei hohen Drehzahlen sind bekannte digitale Schnittstellen (z. B. SENT) zu langsam, um ausreichend oft eine
Winkelinformation zu liefern.
Zur Drehzahl- und daraus abgeleiteten Absolutwinkelpositionsmessung in Verbrennungsmaschinen (VKM) sind Phasengeber und Drehzahlgeber bekannt (z. B. gemäß DE 4011503 Al). Hierbei kann es sich sensorseitig z. B. um Hallelemente handeln, die auf einem Backbias- Magnet angebracht sind. Dreht sich an den Hallelementen ein ferromagnetisches Zahnrad (Target) vorbei, führt dies zu einer Änderung der Hallspannung, da sich ein Magnetkreis verändert. Ein Hallsignal wird vorteilhaft durch eine Komparatorschaltung oder einen Schmitt- Trigger in ein digitales Signal überführt, welches echtzeitfähig z. B. die Zündung der VKM auslösen kann. Um mit derartigen Sensoren Absolutwinkelpositionen messen zu können, werden üblicherweise drei Sensoren eingesetzt, die um 120° elektrisch zueinander versetzt angeordnet sind. Dies erfordert neben hohen Sensorkosten eine aufwendige Montage, die aus Platzgründen nicht immer realisierbar ist. Offenbarung der Erfindung
Hier beschrieben werden eine Geberanordnung und ein Verfahren zur
Bereitstellung einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors mit digitalen Ausgangssignalen. Dazu werden eine Geberradanordnung und ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Geberradanordnung und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der nachfolgenden Beschreibung ergänzt werden, ohne den Umfang der
Offenbarung dabei zu verlassen.
Hier insbesondere beschrieben wird eine Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Die
Geberradanordnung umfasst ein erstes Geberrad, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Dabei weist das erste Geberrad entlang seines Außenumfangs eine erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen auf. Weiterhin umfasst die Geberradanordnung eine zweite Geberradspur, die entweder umlaufend an einer Seitenfläche des ersten Geberrades oder an einem Außenumfang eines zweiten Geberrades angeordnet ist, das drehfest mit dem ersten Geberrad verbunden ist, wobei die zweite Geberradspur in der Umfangsrichtung der ersten Geberadspur gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist. Die Zähne der zweiten Geberradspur weisen einen asymmetrischen Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur auf.
Ferner umfasst die Geberradanordnung einen ersten Sensor, der zu einem Abtasten des ersten Geberradspur eingerichtet ist, wobei der erste Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Geberradanordnung einen zweiten Sensor, der zu einem Abtasten der zweiten Geberradspur eingerichtet ist, wobei der zweite Sensor eine Sensorfläche aufweist, die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene einen Winkel s kleiner als 180° zueinander einschließen. Zudem umfasst die
Geberradanordnung eine Steuerung, die mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor kommunikativ verbunden ist. Dabei ist die Steuerung zu einem Ermiteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermiteln der Drehrichtung basierend auf einem binären Signal eingerichtet. Das binäre Signal ist dabei aus einem ersten Signal des ersten Sensors und einem zweiten Signal des zweiten Sensors abgeleitet.
Die Geberradanordnung ist insbesondere zum Ermiteln der
Absolutwinkelposition und Drehrichtung eines Rotors einer elektrischen
Maschine (Elektromotor) geeignet.
Die erste Geberradspur und die zweite Geberradspur drehen sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Rotor. Der Durchmesser des ersten Geberrades kann beispielsweise im Bereich zwischen wenigen zehn Millimetern bis zu mehreren hundert Millimetern und besonders bevorzugt zwischen etwa 50 mm [Millimeter] bis 350 mm liegen. Die Breite B des ersten Geberades kann bevorzugt zwischen etwa 5 mm bis 20 mm liegen und besonders bevorzugt 8 mm betragen.
Die Zähne der zweiten Geberradspur weisen im Gegensatz zu den regelmäßig angeordneten Zähnen der ersten Geberradspur jeweils einen asymmetrischen Winkelversatz V zu den Zähnen der ersten Geberradspur auf. Der Winkelversatz V eines jeden Zahns der zweiten Geberradspur zu dem jeweils entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur ist entweder positiv oder negativ. Zudem kann bevorzugt jeder Winkelversatz V betragsmäßig gleich sein. Ein Winkelversatz V zwischen den Zähnen der ersten Geberradspur und den entsprechenden Zähnen der zweiten Geberradspur kann betragsmäßig konstant sein und bevorzugt betragsmäßig zwischen 20% [Prozent] und 50% und besonders bevorzugt betragsmäßig 30% einer Länge L der Zähne betragen. Somit liegt jeder Zahn der zweiten Geberradspur entweder mit positivem Versatz vor dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur oder mit negativem Versatz nach dem
entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur. Die Winkelversätze aller Zahnpaare der Zähne der ersten Geberradspur mit den entsprechenden Zähnen der zweiten Geberradspur ergeben eine Abfolge von Versätzen, mithin eine Kodierung. Die Zähne können hier sowohl Vorsprünge mit dazwischenliegenden Vertiefungen sein, aber auch sonstige Markierungen (Farben, Dotierungen (magnetisch, radioaktiv, ...), etc.), die eine Unterscheidung zwischen Zahn und Lücke ermöglichen. Die Geometrie kann auch als Lochblech realisiert sein, bei der ein Loch einer Lücke entspricht und das Material des Blechs dem Zahn entspricht. Neben der Gestaltung eines ferromagnetischen Geberrades kann auch beispielsweise ein alternierend magnetisiertes Geberrad verwandt werden. Prinzipiell kann die Anzahl n an Zähnen (und Lücken) maximiert werden, um eine hohe Winkelpositionsauflösung der Geberradanordnung zu gewährleisten.
Bevorzugt kann die Anzahl an Zähnen n > 8p betragen, wobei p die Anzahl an Polpaaren der elektrischen Maschine ist, um eine robuste und ausreichend genaue Kommutierung zu ermöglichen. Eine Länge L eines Zahns und eine Länge S einer Lücke sind dadurch nach unten begrenzt, dass der (magnetische) Kontrast (z. B. Hallspannungsdifferenz bei Hallsensoren) beim Passieren eines Zahnes bzw. einer Lücke ausreichend groß sein muss. Bevorzugt kann eine Länge S einer Lücke der ersten Geberradspur ungefähr 10% größer sein als die Länge L eines Zahnes und weiter bevorzugt zwischen ungefähr 2 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt 3,5 mm betragen. Die Höhe H eines Zahnes ist nach oben nicht begrenzt und muss nur ausreichend sein, damit ein Zahn von einer Lücke unterschieden werden kann.
Der erste Sensor und der zweite Sensor müssen die Zähne der ersten und zweiten Geberradspur von dazwischenliegenden Lücken unterscheiden können. Hierzu können insbesondere Magnetfeldsensoren eingesetzt werden.
Beispielsweise können Riesenmagnetowiderstand-(Giant
Magnetoresistance(GMR)-)Sensoren, Magnetische-Tunnelwiederstand-(Tunnel Magnetoresistance(TMR)-)Sensoren, oder induktive, passive Sensoren (Spule mit Permanentmagnet) oder dergleichen in Kombination mit magnetischen Zähnen verwendet werden. Das erste Signal des ersten Sensors und das zweite Signal des zweiten Sensors können bevorzugt mittels Analog-Digital-Wandlung in jeweils ein digitales Signal umgewandelt werden. Vorteilhaft können das erste Signal und das zweite Signal durch eine Komparatorschaltung oder einen Schmitt-Trigger in jeweils ein digitales Signal überführt werden. Die Umwandlung in ein digitales Signal kann im ersten und zweiten Sensor oder in der Steuerung erfolgen.
Die Steuerung ist mit den Sensoren kommunikativ verbunden und verarbeitet deren Signale, um daraus die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung zu ermitteln. Die Steuerung kann eine integrierte Schaltung sein. Eine integrierte Schaltung kann ein Mikrokontroller (pC) oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific-integrated ciruit, ASIC) oder ein anwendungsspezifisches Standardprodukt (application specific Standard product, ASSP) oder eine im Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung (field programmable gate array, FPGA) oder dergleichen sein. Eine integrierte
Schaltung kann einen flüchtigen oder einen nicht-flüchtigen Speicher umfassen. Der flüchtige Speicher kann ein Speicher mit wahlfreiem/direktem Zugriff
(Random Access Memory, RAM) sein. Der nicht-flüchtige Speicher kann ein Sekundärspeicher wie z. B. eine Festplatte, eine CD, eine DVD, eine Diskette oder ein Halbleiterspeicher (z. B. EPROM oder Flash-Speicher oder dergleichen) sein. Zudem kann die Steuerung in ein Steuergerät der elektrischen Maschine integriert sein.
Durch Messung des Winkelversatzes von jeweils zwei Zähnen, die sich auf zwei unterschiedlichen Geberradspuren der Geberradanordnung befinden, kann die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung des Rotors ermittelt werden. Der Winkelversatz zweier Zähne wird über eine relative Verdrehung der
Geberradspuren realisiert und dient der Generierung eines binären Wertes (logische 0 oder logische 1). Mit Hilfe einer speziellen Kodierung, basierend auf dem asymmetrischen (wechselnden positiven und negativen) Winkelversatz, lassen sich über eine Mustererkennung die Drehrichtung sowie die
Absolutwinkelposition ermitteln. Die entsprechende Geberradanordnung ist dabei so ausgestaltet, dass innerhalb einer ersten elektrischen Umdrehung erkannt werden kann, ob ein Drehmoment in eine falsche Drehrichtung abgegeben wird. Über die Kodierung einer Geberradstruktur mit nachgelagerter Signalauswertung der zwei Sensoren kann ebenfalls die Absolutwinkelposition erkannt werden. Dazu empfängt die Steuerung das erste Signal des ersten Sensors, der die Zähne der ersten Geberradspur erkennt, und das zweite Signal des zweiten Sensors, der die Zähne der zweiten Geberradspur erkennt.
Aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal wird das binäre Signal abgeleitet. Die Ableitung des binären Signals kann beispielsweise durch Differenzbildung aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal erfolgen, basierend auf dem jeweils positiven oder negativen Winkelversatz der Zähne der zweiten
Geberradspur zu den entsprechenden Zähnen der ersten Geberradspur. Das binäre Signal kann einer logischen 1 entsprechen, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur vor einem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur detektiert wird, und einer logischen 0 entsprechen, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur nach einem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur detektiert wird, oder umgekehrt. Das binäre Signal kann direkt von der Steuerung über eine Phasenmessung der beiden Signale der Sensoren abgeleitet werden. Daher ergibt sich für jedes Zahnpaar, bestehend aus einem Zahn der ersten Geberradspur und einem entsprechenden Zahn der zweiten Geberradespur, anhand ihres Winkel versatz es ein binärer Wert, der mittels der beiden Signale der Sensoren ermittelt wird. Somit ergibt sich nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal eine asymmetrische Folge, die die asymmetrische Kodierung widerspiegelt, die auf dem asymmetrischen Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur beruht. Um die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung eindeutig aus dem binären Signal erkennen zu können, kann eine spezielle Kodierung und somit eine spezielle Anordnung der Zähne der zweiten Geberradspur erfolgen. Es kann ein asymmetrischer Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur vorliegen, sodass eine Drehrichtung im
Uhrzeigersinn von einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn diskriminiert werden kann. Dazu kann sich eine binäre Folge des binären Signals, die sich bei einer Umdrehung ergibt, eindeutig der Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn zuordnen lassen. Dies ist bei folgender asymmetrischer Anordnung der einzelnen Winkelversätze V möglich:
a) Bei einer ungeraden Anzahl n an Zähnen ist jede Anordnung von Winkelversätzen V zulässig, die nicht zu Kodierungen mit ausschließlich identischen Ziffern führt (d.h. nicht ausschließlich positive oder negative
Winkelversätze V). Beispielsweise ist 00000 oder 11111 nicht für eine fünfstellige Kodierung zulässig.
b) Bei einer geraden Anzahl n an Zähnen ist jede Anordnung von
Winkelversätzen V zulässig, die nicht zu Kodierungen führt, die durch einen Bitshift (nach links oder rechts) in symmetrische Kodierungen überführt werden können. Beispielsweise kann die Kodierung 00001111 durch einen Bitshift um zwei Positionen nach rechts in 11000011 überführt werden, sodass eine
Drehrichtung im Uhrzeigersinn nicht von einer Drehrichtung gegen den
Uhrzeigersinn unterscheidbar ist.
Bei dem Ermitteln der Absolutwinkelposition wird zunächst ein Startwinkel aus der ersten elektrischen Umdrehung mittels des asymmetrischen Winkelversatzes und der resultierenden Kodierung (Mustererkennung) ermittelt. Anschließend kann die aktuelle Absolutwinkelposition kontinuierlich durch Summation von Inkrementalwinkeln ermittelt werden, die aus dem binären Signal abgeleitet und zu dem Startwinkel bzw. der vorhergehenden Absolutwinkelposition addiert werden. Der kleinstmögliche Inkrementalwinkel, der mit der Geberradanordnung bestimmbar ist, richtet sich dabei nach der Anzahl n der Zähne auf der
Geberradspuren (z. B. bei n = 8 ist der Inkrementalwinkel 45° (360° / 8)). Sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) annimmt, wird der Inkrementalwinkel aufaddiert und die aktuelle Absolutwinkelposition ausgegeben. Bei dem Ermitteln der Drehrichtung erfolgt während einer elektrischen
Umdrehung, analog zum Ermitteln des Startwinkels, basierend auf der Kodierung durch den asymmetrischen Winkelversatz eine Analyse des binären Signals (Mustererkennung), woraus sich eindeutig die Drehrichtung ableiten lässt.
Da die verwendeten Sensoren digitale Inkrementalsignale liefern, sind hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten möglich. Weiterhin bedarf es keiner komplexen Signalbereitstellung und -nachbereitung. Darüber hinaus erlaubt das
beschriebene Messprinzip höhere zulässige mechanische Toleranzen bei der Sensormontage, da es sich um ein sehr robustes Messverfahren handelt. Zudem ist ein einfacher Sensoraufbau möglich, bei dem die zwei Sensoren
beispielsweise in einem Gehäuse platziert werden können. Besonders vorteilhaft kann mit der vorgestellten Lösung ein maximaler Abstand zwischen den
Sensoren kann in Verbindung mit einem minimalen Bauraum erreicht werden. Insbesondere sind vorteilhafte Ausführungsformen möglich, die nur ein Geberrad verwenden, was auch eine günstigere Einbausituation zur Folge hat. Dies führt zu einer Kostenreduktion bei der Montage und bei Reparaturen. Insbesondere ermöglicht die Geberradgeometrie eine integre Lagebestimmung gemäß A-SIL D (ISO 26262), da alle Fehler (z. B. fehlender Zahn) innerhalb einer
Fehlerlatenzzeit erkannt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform schließen die erste Ebene des ersten Sensors und die zweite Ebene des zweiten Sensors einen Winkel s ein, der größer als 60° und kleiner als 120° ist und bevorzugt größer als 85° und kleiner als 95° ist und insbesondere 90° ist.
Ein Normalenvektor der ersten Ebene (also eine zu der ersten Ebene senkrechte Richtung) kann bevorzugt senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne der ersten Gerberradspur orientiert sein, während der Normalenvektor der zweiten Ebene bevorzugt senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne der zweiten Geberradspur orientiert ist. In einer weiteren Ausführungsform umfassen der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente. Dabei sind das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale aus Messsignalen der wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente des entsprechenden Sensors.
Ein Differenzsignal aus zwei Messsignalen von zwei entsprechenden
Magnetfeldsensorelementen eines Sensors weist eine logische 1 auf, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet und eine logische 0, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, oder umgekehrt. Somit wird aus den analogen Messsignalen der einzelnen Magnetfeldsensorelemente direkt ein digitales Differenzsignal der einzelnen Sensoren an die Steuerung weitergegeben.
Durch die grenzwertbasierte Differenzsignalbildung liegt direkt ein digitales Signal ohne vorherige Analog-Digital-Wandlung vor. Zudem kann Signalrauschen aufwandsarm aus dem Signal, das an die Steuerung weitegeleitet wird, ferngehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Sensor zu einem Erzeugen von wenigstens zwei ersten Signalen und der zweite Sensor zu einem Erzeugen von jeweils wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet.
Von beiden Sensoren werden jeweils zwei Signale an die Steuerung
weitergegeben. Es wird dabei von jedem Sensor die zugehörige Geberradspur an mindestens zwei Stellen abgetastet und die Zähne erkannt. Die mindestens zwei resultierenden Messsignale werden an die Steuerung weitergegeben und zuvor entweder im jeweiligen Sensor oder in der Steuerung von analog zu digital gewandelt. Besonders bevorzugt umfasst ein Sensor jeweils mindestens drei Magnetfeldsensorelemente aus deren Messsignalen mindestens zwei
Differenzsignale, wie zuvor beschreiben, gebildet werden, wobei diese mindestens zwei Differenzsignale als die Signale des jeweiligen Sensors an die Steuerung weiter gegeben werden. Insbesondere liegt eine redundante
Information der Sensoren vor, wenn wie bevorzugt mindestens drei
Magnetfeldsensorelemente pro Sensor eingesetzt werden und mindestens zwei Differenzsignale aus den Messsignalen ermittelt werden. Dann ist eine zusätzliche Plausibilisierung durch eine Phasenmessung von jeweils entsprechend zusammengehörigen Differenzsignalen des ersten und des zweiten Sensors möglich.
Durch die Bereitstellung von wenigstens zwei Signalen pro Sensor wird eine Erhöhung der Robustheit erreicht, da somit redundante Informationen mit zusätzlicher Plausibilisierungsmöglichkeit vorhanden sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung zu einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet.
Eines der wenigstens zwei Signale eines Sensors eilt dem anderen Signal des Sensors nach. Dieses Nacheilen äußert sich in einer Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung lässt sich die Drehrichtung des Rotors mit nur einem der beiden Sensoren ermitteln. Das Signal eines Sensors, das aus einem
Magnetfeldsensorelement bzw. einer Sensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter vorne liegt, eilt einem Signal des Sensors, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Sensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter hinten liegt, voraus. Somit kann aus der Phasenverschiebung zwischen den Signalen eines Sensors auf die Drehrichtung des Rotors geschlossen werden, ohne die Signale des anderen Sensors mit betrachten zu müssen.
Durch die wenigstens zwei Signale eines Sensors, liegen redundante
Informationen bezüglich der Drehrichtung vor, sodass eine Plausibilisierung erfolgen kann, was die Robustheit erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine
Magnetfeldsensorelement des ersten Sensors und/oder des zweiten Sensors ein Hallsensorelement. Zudem sind entsprechend die Zähne des ersten Geberrads oder die Zähne des zweiten Geberrads ferromagnetisch.
Zieht ein ferromagnetischer Zahn nahe an einem Magnetfeldsensorelement bzw. an dem Hallsensorelement vorbei, ergibt sich eine Induktionsspannung oder Hallspannung durch die Veränderung im magnetischen Fluss gegenüber den Lücken. Dies gilt auch, wenn die Lücken ebenfalls ferromagnetisch sind, aber weiter von dem Magnetfeldsensorelement entfernt vorbeiziehen als die Zähne (Höhenunterschied).
Magnetfeldsensorelemente und insbesondere Hallsensorelemente bieten in Kombination mit ferromagnetischen Zähnen eine besonders genaue sowie robuste und dennoch kostengünstige Möglichkeit, die Zähne eines Geberrads zu erkennen.
Insbesondere in Fahrzeugen kann mit der zuvor beschriebenen
Geberradanordnung die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung eines Rotors einer Maschine wie einer elektrischen Maschine (Elektromotor) oder VKM ermittelt werden.
Das beschriebene Verfahren ist ein Verfahren zum Ermitteln einer
Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Empfangen eines ersten Signals von einem ersten Sensor, der ein erstes Geberrad abtastet, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das erste Geberrad entlang seines Außenumfangs eine erste Geberradspur aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen aufweist;
b) Empfangen eines zweiten Signals von einem zweiten Sensor, der eine zweite Geberradspur abtastet, die entweder umlaufend an einer Seitenfläche des ersten Geberrades oder an einem Außenumfang eines zweiten Geberrades, das drehfest mit dem ersten Geberrad verbunden ist, angeordnet ist, wobei die zweite Geberradspur in der Umfangsrichtung der ersten Geberadspur gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen wie die erste Geberradspur aufweist,
- wobei die Zähne der zweiten Geberradspur einen asymmetrischen
Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur aufweisen;
wobei der erste Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene angeordnet ist,
- und der zweite Sensor wenigstens ein Magnetfeldsensorelement aufweist, das einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene einen Winkel s kleiner als 180° zueinander einschließen, c) Ableiten eines binären Signals aus dem ersten Signal und dem zweiten
Signal; d) Ermiteln der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal;
und
e) Ermiteln der Drehrichtung basierend auf dem binären Signal.
Das Verfahren ist insbesondere zum Ermiteln der Absolutwinkelposition und Drehrichtung eines Rotors einer elektrischen Maschine (Elektromotor) geeignet.
Ferner ist das Verfahren insbesondere mit einer Geberradanordnung wie zuvor beschreiben anwendbar.
Das vorliegende Verfahren setzt im Wesentlichen die Funktionalität des bereits zuvor beschriebenen Reglers der Geberradanordnung um, so dass prinzipiell die gleichen technischen Mitel eingesetzt und die gleichen Vorteile erzielt werden können.
Das erste Signal gibt die zeitliche Abfolge der gleichmäßig in der ersten
Geberradspur verteilten Zähne bei Rotation des Rotors an. Das zweite Signal gibt die zeitliche Abfolge der Zähne der zweiten Geberradspur mit
asymmetrischem Winkelversatz zu den Zähnen der ersten Geberradspur an. Aus dem ersten und dem zweiten Signal wird das binäre Signal, bevorzugt durch Differenzbildung, abgeleitet, das eine logische 1 ausgibt, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur in Umfangsrichtung vor dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur angeordnet ist, also einen positiven Versatz aufweist, und eine logische 0, wenn ein Zahn der zweiten Geberradspur in Umfangsrichtung nach dem entsprechenden Zahn der ersten Geberradspur angeordnet ist, also einen negativen Versatz aufweist, oder umgekehrt. Bei einer elektrischen Umdrehung wird eine asymmetrische Folge, die eine asymmetrische Kodierung wiederspiegelt, die dem asymmetrischen Winkelversatz der Zähne der zweiten Geberradspur zu den Zähnen der ersten Geberradspur entspricht, durch das binäre Signal angegeben. Die Kodierung ist dabei derart asymmetrisch, dass zu jedem Startwinkel eindeutig die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal durch eine
Mustererkennung ermitelt werden kann. Für die momentane
Absolutwinkelposition kann zu Beginn der Rotation ein Startwinkel nach der ersten elektrischen Umdrehung des Rotors aus der ersten asymmetrischen Folge, die das aus dem ersten Signal und aus dem zweiten Signal abgeleitete binäre Signal liefert, durch Mustererkennung ermitelt werden. Anschließend kann kontinuierlich ein Inkrementalwinkel zu dem Startwinkel bzw. der jeweils vorherigen Absolutwinkelposition addiert werden, um die aktuelle
Absolutwinkelposition zu ermitteln. Der kleinstmögliche Inkrementalwinkel, der mit dem Verfahren bestimmbar ist, richtet sich dabei nach der Anzahl n der Zähne der Geberradspuren (z. B. bei n = 8 ist der Inkrementalwinkel 45°). Sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) annimmt, wird der Inkrementalwinkel aufaddiert und die aktuelle Absolutwinkelposition ausgegeben. Die Drehrichtung ist direkt aus der asymmetrischen Folge nach einer elektrischen Umdrehung durch Mustererkennung ermittelbar.
Durch die Verarbeitung von Inkrementalsignalen, sind hohe
Umdrehungsgeschwindigkeiten möglich und dennoch bedarf es keiner komplexen Signalbereitstellung und -nachbereitung, sodass ein aufwandsarmes sowie kostengünstiges und dennoch robustes und präzises Verfahren
bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale aus Messsignalen von wenigstens zwei
Magnetfeldsensorelementen des entsprechenden Sensors.
Ein Differenzsignal aus zwei Messsignalen von zwei entsprechenden
Magnetfeldsensorelementen eines Sensors weist eine logische 1 auf, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet und eine logische 0, wenn die Differenz der Messsignale einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, oder umgekehrt. Somit wird aus den analogen Messsignalen der einzelnen Magnetfeldsensorelemente direkt ein digitales Differenzsignal der einzelnen Sensoren an die Steuerung weitergegeben.
Durch die grenzwertbasierte Differenzsignalbildung liegt direkt ein digitales Signal ohne vorherige Analog-Digital-Wandlung vor. Zudem kann Signalrauschen aufwandsarm aus dem Signal, das an die Steuerung weitergeleitet wird, ferngehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden in Schritt a) und Schritt b)
entsprechend wenigstens zwei erste Signale und wenigstens zwei zweite Signale empfangen. Es werden jeweils zwei Signale für jede der beiden Geberradspuren an die Steuerung weitergegeben. Es wird dabei von jedem Sensor die zugehörige Geberradspur an mindestens zwei Stellen abgetastet und die Zähne erkannt. Die mindestens zwei resultierenden Messsignale werden an die Steuerung weitergegeben und zuvor entweder im jeweiligen Sensor oder in der Steuerung von analog zu digital gewandelt. Besonders bevorzugt werden mindestens zwei Differenzsignale, wie zuvor beschreiben, pro Geberradspur an die Steuerung übertragen, wobei diese mindestens zwei Differenzsignale als die Signale des jeweiligen Sensors an die Steuerung weiter gegeben werden. Insbesondere liegt eine redundante Information über die Geberradspuren vor, wenn wie bevorzugt mindestens zwei Differenzsignale aus den Messsignalen ermittelt werden. Dann ist eine zusätzliche Plausibilisierung durch eine Phasenmessung von jeweils entsprechend zusammengehörigen Differenzsignalen zu der ersten und der zweiten Geberradspur möglich.
Durch die Bereitstellung von wenigstens zwei Signalen bzw. Differenzsignalen pro Geberradspur wird eine Erhöhung der Robustheit erreicht, da somit redundante Informationen mit zusätzlicher Plausibilisierungsmöglichkeit vorhanden sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Schritt e) die Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen ermittelt.
Eines der wenigstens zwei Signale eilt dem anderen Signal nach. Dieses
Nacheilen äußert sich in einer Phasenverschiebung. Aus der
Phasenverschiebung lässt sich die Drehrichtung des Rotors mit nur einer der beiden Geberradspuren ermitteln. Das Signal zu einer Geberradspur, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Magnetfelssensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in Drehrichtung weiter vorne liegt, eilt einem Signal zu der Geberradspur, das aus einem Magnetfeldsensorelement bzw. einer Magnetfeldsensorelementanordnung (Differenzsignal) stammt, das/die in
Drehrichtung weiter hinten liegt, voraus. Somit kann aus der
Phasenverschiebung zwischen den Signalen zu einer Geberradspur auf die Drehrichtung des Rotors geschlossen werden, ohne die Signale der anderen Geberradspur mit betrachten zu müssen. Durch die wenigstens zwei Signale, liegen redundante Informationen bezüglich der Drehrichtung der ersten Geberradspur und der zweiten Geberradspur vor, sodass eine Plausibilisierung erfolgen kann, was die Robustheit erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt in Schritt d) ein Startwinkel basierend auf einem Testpulsverfahren oder einem Stromimpulsverfahren.
Sollte bereits zu Beginn der Drehung des Rotors eine initiale
Absolutwinkelposition bekannt sein müssen, so kann auf das bekannte
Testpulsverfahren oder Stromimpulsverfahren zurückgegriffen werden. Dabei werden Phasen einer elektrischen Maschine mit kleinen Testströmen
beaufschlagt und Spulenimpedanzen gemessen. Aus diesen kann dann auf die Rotorlage (speziell bei PSM) geschlossen werden.
Figurenbeschreibung
Das Verfahren und die Geberradanordnung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte
Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, das Verfahren und die
Geberradanordnung jedoch nicht darauf beschränkt sind. Es zeigen:
Fig.lA: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer
Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors;
Fig.lB: eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors;
Fig.lC: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer
Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors;
Fig.lD: eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer
Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors; Fig.2A und 2B: eine schematische Darstellung eines ersten Geberrads und eines ersten Sensors;
Fig.3: eine schematische Darstellung einer Magnetfeldsensoranordnung und eines Geberrads;
Fig.4A und 4B: eine beispielhafte Darstellung von Signalverläufen bei
entgegengesetzten Drehrichtungen;
Fig.5: eine schematische abgerollte Ansicht einer ersten
Geberradspur und einer zweiten Geberradspur;
Fig.6: ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum
Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors;
Fig.7: eine Draufsicht auf eine Seitenwand des Ausführungsbeispiels aus Fig. ID; und
Fig.8: eine schematische Darstellung des Schnittwinkels zweier
Magnetfeldsensorebenen.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1A zeigt schematisch eine Geberradanordnung 10, die beispielsweise ein erstes Geberrad 12a und ein zweites Geberrad 12b aufweist. Die Geberräder 12a, 12b sind drehbar um eine gemeinsame Achse 13 gelagert. Die Achse 13 erstreckt sich in Fig. 1A in z-Richtung des dargestellten Koordinatensystems. Die x-Achse, y-Achse und z-Achse der Darstellung bilden ein rechtwinkliges
Koordinatensystem. Die Zeichnungsebene in Fig. 1A ist die y-z-Ebene. Die Achse 13 durchstößt die beiden Geberräder bevorzugt in deren Schwerpunkt und fällt vorteilhaft mit einer Drehachse einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt) zusammen. Die Geberräder 12a, 12b weisen jeweils Zähne 14a bzw. Zähne 14b und Lücken 15a bzw. 15b auf. Die Zähne können aus einem ferromagnetischen Material gefertigt sein. Die Zähne 14a und Lücken 15a des ersten Geberrades 12a bilden eine erste Geberradspur 120a am Außenumfang des ersten Geberrades 12a. Die Zähne 14b und Lücken 15b des zweiten Geberrades 12b bilden ein zweite Geberradspur 120b. Die Geberräder 12a, 12b können gleiche axialen Abmessungen (Breite B) und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Erfassung der Zähne 14a, 14b und Lücken 15a, 15b der Geberräder 12a,
12b erfolgt beispielsweise mit jeweils einem als Hallsensor ausgebildeten ersten Sensor 16a für das erste Geberrad 12a bzw. einem als Hallsensor ausgebildeten zweiten Sensor 16 b für das zweite Geberrad 12b. Die Sensoren 16a, 16b sind mit einer Steuerung 17 verbunden, die als integrierte Schaltung ausgeführt ist.
Fig. 2A stellt schematisch das erste Geberrad 12a mit den Zähnen 14a und den Lücken 15a in der x-y- Ebene dar. Die Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a sind entlang eines Außenumfangs des ersten Geberrads 12a gleichmäßig beabstandet angeordnet. Der erste Sensor 16a ist in einem gewissen Abstand zu dem ersten Geberrad 12a angeordnet, sodass er die vorbeiziehenden Zähne 14a von den Lücken 15a unterscheiden kann. Der erste Sensor 16a, bzw. dessen Magnetfeldsenorelemente sind mit ihren Sensorflächen in einer Ebene angeordnet, deren Normalenvektor senkrecht zu der Stirnseite der Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a orientiert ist, wenn diese Zähne der Sensorfläche gegenüberliegen. Die Sensorfläche eines als Hallsensors vorgesehenen
Magnetfeldsensorelementes wird durch eine Fläche gebildet, die von den Magnetfeldlinien eines äußeren Magnetfeldes vorzugsweise senkrecht durchdrungen wird, um bei sonst gleichen Bedingungen eine maximale
Spannung in dem Hallelement zu generieren.
Der zweite Sensor 16b ist an dem zweiten Geberrad 12b angeordnet, allerdings sind die Zähne 14b entlang eines Umfangs des zweiten Geberrads 12b nicht gleichmäßig beabstandet angeordnet (nicht in Fig. 2A dargestellt). Wie in Fig. 1A zu erkennen ist, ist das zweite Geberrad 12b an seinem Außenumfang beispielsweise kegelstumpfförmig bzw. als Kronenrad ausgestaltet. Der zweite Sensor 16b, bzw. dessen Magnetfeldsenorelemente sind mit ihren Sensorflächen in einer Ebene angeordnet, deren Normalenvektor vorzugsweise etwa senkrecht zu der Stirnseite der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b orientiert ist.
Der erste Sensor 16a liefert bei der Abtastung der ersten Geberradspur 120a ein erstes Signal an die Steuerung 17 und der zweite Sensor 16b liefert bei der Abtastung der zweiten Geberradspur 120b ein zweites Signal an die Steuerung 17. Fig. 2B stellt schematisch zwei Zähne 14a und eine Lücke 15a des ersten Geberrades 12a dar. Die Zähne 14a weisen alle eine gleiche Länge L und eine gleiche Höhe H auf. Da die Zähne 14a gleichmäßig beabstandet entlang des Außenumfangs des ersten Geberrads 12a angeordnet sind, besitzen die Lücken 15a alle eine gleiche Länge S. Die Länge S der Lücken 15a ist etwa 10% größer als die Länge L der Zähne 14a und kann beispielsweise 3,5 mm betragen. Die Höhe H der Zähne 14a kann mindestens 3,5 mm betragen, ist aber nach oben nicht begrenzt.
Die Stirnseiten der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b sind nicht nur gegenüber den Strinseiten der Zähne 14a der ersten Geberradspur 120a schräggestellt, sondern sind insbesondere nicht gleichmäßig beabstandet entlang des Außenumfangs des zweiten Geberrads 12b. Daher können zwar die Zähne 14b die gleiche Länge L und eine gleiche maximale Höhe H wie die Zähne 14a aufweisen, aber die Lücken 15b haben nicht eine gleiche Länge (nicht in Fig. 2B dargestellt). Durch eine gleichmäßige Geometrie der Zähne und einen ausreichenden Höhenunterschied zwischen den Zähnen und den Lücken wird sichergestellt, dass die als Hallsensoren ausgebildeten Sensoren 16a, 16b die Zähne sicher von den Lücken unterscheiden können und jeder Zahn ein genau definiertes Messsignal erzeugt.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Hallsensor 16, der beispielsweise dem ersten Sensor 16a, der dem ersten Geberrad 12a zugeordnet ist, entsprechen kann.
Der Hallsensor 16 umfasst einen Permanentmagnet (Backbias- Magnet) 21 und drei als Hallsensorelemente ausgebildete Magnetfeldsensorelemente 22a-22c.
Ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol des Magneten 21 verlaufen im Wesentlichen tangential entlang einer Ebene El, deren
Normalenvektor senkrecht zu der Achse 13 und der z-Achse orientiert ist. Die Magnetfeldsensorelemente 22a-22c sind beispielsweise zwischen dem
Permanentmagneten 21 und dem ersten Geberrad 12a sowie in einem gleichen Abstand hintereinander in einer zu dem ersten Geberrad 12a tangentialen Richtung in der ersten Ebene El angeordnet. Ferner weisen die als
Hallsensorelemente ausgebildeten Magnetfeldsensorelemente 22a-22c jeweils laterale Erstreckungen im Bereich weniger mm auf. Bevorzugt beträgt eine Breite zwischen einer vorderen Kante des Hallsensorelements 22a und einer hinteren Kante des Hallsensorelements 22c 1 mm bis 2 mm mehr als die Länge L eines Zahnes und besonders bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm.
Der Hallsensor 16 weist also wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c auf, die tangential zu der Umfangsrichtung u der ersten Geberradspur 120a hintereinander in einer ersten Ebene El angeordnet sind, wobei die
Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c Sensorflächen aufweisen, deren
Normalenvektor jeweils senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne 14a des ersten Geberrades 12a orientiert ist, wenn diese Zähne dem Sensor 16
gegenüberliegen.
Wie in Fig. 8 dargestellt ist, ist der zweite Sensor 16b relativ zu dem ersten Sensor 16a um einen Winkel geneigt. Der zweite Sensor 16b kann baugleich zu dem ersten Sensor 16a aufgebaut sein. Der zweite Sensor 16b kann drei Magnetfeldsensorelemente 22a - 22c aufweisen, die hintereinander in einer zweiten Ebene E2 angeordnet sind, deren Normalenvektor senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b orientiert ist, wenn diese Zähne, wie in Fig. 1A gezeigt, dem Sensor 14b gegenüberliegen. Die erste Ebene El des ersten Sensors 16a und die zweite Ebene E2 des zweiten Sensors 16b schließen in der y-z-Ebene einen Winkel s kleiner als 180° zueinander ein, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt ist. Die erste Ebene El und die zweite Ebene E2 können einen Winkel s einschließen, der vorzugsweise größer als 60° und kleiner als 120° ist, besonders größer als 85° und kleiner als 95° ist und insbesondere 90° groß ist.
Fig. 1B zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. In der Geberradanordnung nach Fig. 1B sind beide Geberräder 12a und 12b mit kegelstumpfförmigen Außenumfang versehen. Durch die Schrägstellung jedes Sensors 16a und 16b, der jeweils der ihm zugeordneten Geberradspur gegenüberliegt, kann in einfacher Weise ein kleinerer Winkel s zwischen der Ebene El des ersten Sensors 16a und der Ebene E2 des zweiten Sensors 16b eingestellt werden als in Fig. 1A.
Fig. IC zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. In der Geberradanordnung nach Fig. IC ist im Unterschied zur dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1B der maximale Durchmesser des zweiten Geberrades 12b deutlich kleiner ausgebildet als der maximale Durchmesser des ersten Geberrades 12a. Der Abstand der beiden Sensoren 16a und 16b kann dadurch vergrößert werden, ohne dass die lateralen Abmessungen der Geberradanordnung in z-Richtung vergrößert werden müssten.
Fig. ID zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Geberradanordnung zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. In der Geberradanordnung nach Fig. ID wird nur ein Geberrad 12a verwandt. Die erste Geberradspur 120a wird durch Zähne 14a und Lücken 15a an der Stirnseite des Geberades 12 gebildet. Die zweite
Geberradspur 120b ist kreisringförmig an einer Seitenwand 130 des Geberrades 12a angeordnet. Die zweite Geberradspur 120b kann beispielsweise durch Fräsungen eingebracht werden. Wie in Fig. ID erkennbar ist, schließen die erste Ebene El des ersten Sensors 16a und die zweite Ebene E2 des zweiten Sensors 16b hier einen Winkel s von etwa 90° ein.
Die Fig. 4A und 4B zeigen jeweils einen Signalverlauf eines Hallsensors 16 bei einem sich drehenden Geberrad 12. Es wird ein erstes Differenzsignal 23 von Hallspannungen der Magnetfeldsensorelemente 22a und 22b in einem ersten Kanal und ein zweites Differenzsignal 24 von Hallspannungen der
Mgnetfeldsensorelemente 22b und 22c in einem zweiten Kanal ausgegeben. Überschreitet jeweils die Differenz der Hallspannungen einen oberen Grenzwert, wird von einer nicht dargestellten in dem Hallsensor 16 integrierten Schaltung (z. B. ASIC) eine logische 0 ausgegeben. Unterschreitet die Differenz der Hallspannungen einen unteren Grenzwert, wechselt das entsprechende
Differenzsignal 23, 24 auf eine logische 1. Aufgrund der Geometrie der
Geberräder 12a, 12b, sind die Differenzsignale 23, 24 um 90° elektrisch phasenverschoben und erlauben eine Detektion der Drehrichtung. Es können auch andere Phasenverschiebungen auftreten. In Fig. 4A ist eine Drehrichtung 25a im Uhrzeigersinn dargestellt. Dabei passiert einer der Zähne 14 zunächst das vordere Magnetfeldsensorelement 22a. Als nächstes wird das mittlere Magnetfeldsensorelement 22b von dem Zahn 14 passiert. Sobald der Zahn 14 von den Magnetfeldsensorlelementen 22a und 22b detektiert wird, gibt das erste Differenzsignal 23 eine logische 1 aus, da die Differenz der Hallspannung des vorderen Magnetfeldsensorelements 22a und des mittleren
Magnetfeldsensorelements 22b den unteren Grenzwert unterschreitet. Das zweite Differenzsignal 24 gibt dabei weiterhin eine logische 0 aus, da die
Differenz der Hallspannungen des mittleren Magnetfeldsensorelements 22b und des hinteren Magnetfeldsensorelements 22c den oberen Grenzwert
überschreitet. Sobald der Zahn 14 auch das hintere Magnetfeldsensorelement 22c passiert, gibt das zweite Differenzsignal 24 eine logische 1 aus. Das erste Differenzsignal 23 eilt dem zweiten Differenzsignal 24 bei Drehung im
Uhrzeigersinn voraus. In Fig. 4B ist eine Drehrichtung 25b gegen den
Uhrzeigersinn dargestellt. Dabei wird zuerst das hintere
Magnetfeldsensorelement 22c, gefolgt von dem mittleren
Magnetfeldsensorelement 22b und schließlich das vordere
Magnetfeldsensorlelement 22a von einem der Zähne 14 passiert. Daher gibt zunächst das zweite Differenzsignal 24 eine logische 1 aus, und das erste Differenzsignal 23 folgt dem zweiten Differenzsignal 24 phasenverschoben nach.
Die Geberradanordnungen in Fig. 1A bis IC umfassen das erste Geberrad 12a und das zweite Geberrad 12b in Kombination mit dem ersten Sensor 16a und dem zweiten Sensor 16b, um die Absolutwinkelposition nach einer elektrischen Umdrehung ermitteln zu können. Die Geberradanordnung 10 in Fig. ID umfasst dagegen nur ein Geberrad 12a, welches die ersten Geberradspur 120a und die zweite Geberradspur 120b aufweist, um die Absolutwinkelposition nach einer elektrischen Umdrehung ermitteln zu können. In allen Ausführungsbeispielen von Fig. 1A bis Fig. ID kann die erste Geberradspur 12a eine regelmäßige
Anordnung der Zähne 14a aufweisen. D.h. die Länge L der Zähne 14a und die Länge der Lücken 15a sind für alle Zähne 14a und Lücken 15a identisch. Die zweite Geberradspur 120b kann die gleiche Anzahl n an Zähnen 14b wie die erste Geberradspur 120a aufweisen. Allerdings sind die Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b bezogen auf einen willkürlich gewählten Umlaufsinn in eine positive oder eine negative Richtung gegenüber den Zähnen 14a der ersten Geberradspur 120a versetzt angeordnet.
Eine entsprechende abgewickelte Draufsicht von Geberradspuren 120a und 120b zeigt Fig. 5. Ein Winkelversatz V zwischen zwei Zähnen 14a der ersten Geberradspur 120a und den Zähnen 14b der zweiten Geberradspur 120b kann beispielsweise konstant 35% der Länge L der Zähne 14a, 14b betragen.
Allerdings unterscheidet sich der Winkelversatz V der Zähne 14a, 14b im
Vorzeichen. Aus jeweils dem ersten Differenzsignal 23 und jeweils dem zweiten
Differenzsignal 24 des ersten Sensors 12a und des zweiten Sensors 12b werden entsprechend ein erstes und ein zweites binäres Signal generiert. Bei den binären Signalen entspricht eine logische 1 dem Moment, wenn einer der Zähne 14b der zweiten Geberradspur 120b vor dem entsprechenden Zahn 14a der ersten Geberradspur 12a detektiert wird. Umgekehrt entspricht eine logische 0 der binären Signale dem Moment, wenn einer der Zähne 14b vor dem
entsprechenden Zahn 14a detektiert wird. Die binären Signale werden direkt von der Steuerung 17 über eine Phasenmessung der beiden Differenzsignale 23, 24 ermittelt.
Es ergibt sich für jedes Zahnpaar, bestehend aus einem der Zähne 14a der ersten Geberradspur 12a und dem entsprechenden Zahn 14b der zweiten Geberradspur 12b, anhand ihres Winkel versatz es V ein binärer Wert, der anhand der beiden Differenzsignale 23 bzw. 24 der Sensoren 16a, 16b als binäres Signal ermittelt wird. Um die Absolutwinkelposition und die Drehrichtung aus einem oder beiden binären Signalen ermitteln zu können, liegt eine spezielle Anordnung (Kodierung) der Zähne 14a, 14b zueinander vor. Diese Anordnung ist ein asymmetrischer Winkelversatz in dem Sinne, dass eine Drehrichtung 25a im Uhrzeigersinn von einer Rückwärtsdrehung 25b gegen den Uhrzeigersinn diskriminiert werden kann. Bei beispielsweise acht Zähnen pro elektrischer Umdrehung liegt der in Fig. 5 dargestellte asymmetrische Versatz der Zähne 14b zu den Zähnen 14a vor. Bei einer Drehrichtung 25b gegen den Uhrzeigersinn ergibt sich als binäres Signal nach einer elektrischen Umdrehung beispielsweise die (8bit-) Folge 0 0 0 1 0 1 1 1. Liegt eine Drehrichtung 25a mit dem
Uhrzeigersinn vor, so lautet die (8bit-) Folge nach einer elektrischen Umdrehung 1 1 1 0 1 0 0 0. Es können also eindeutig die Drehrichtung sowie die
Absolutwinkelposition ermittelt werden. Ist eine initiale Position der ersten Geberradspur 120a und der damit drehfest verbundenen zweiten Geberradspur 120b eine andere, ändert sich die (8bit-) Folge, jedoch können die (8bit-) Folgen bei einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn 25a immer eindeutig von den (8bit-) Folgen einer Drehrichtung 25b gegen den Uhrzeigersinn unterschieden werden. Mit dem asymmetrischen Versatz der Zähne 14a, 14b zueinander wie in Fig. 5 dargestellt ergeben sich folgende (8bit-) Folgen:
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Mit n = 8 Zähnen pro Geberradspur 120a, 120b lässt sich die
Absolutwinkelposition des Rotors auf 45° genau ermitteln. Dazu wird aus der ersten (8bit-) Folge, die die asymmetrische Kodierung bzw. den asymmetrischen Winkelversatz der Zähne 14b zu den entsprechenden Zähnen 14a
wiederspiegelt, ein Startwinkel bestimmt. Zu diesem Startwinkel wird
kontinuierlich ein Inkrementalwinkel von 45° addiert, sobald das binäre Signal den nächsten Wert (logische 0 oder 1) angibt. Damit bereits zu Beginn einer Drehung des Rotors eine initiale
Absolutwinkelposition ermittelt werden kann, wird auf das bekannte
Testpulsverfahren oder das Stromimpulsverfahren zurückgegriffen. Dabei werden Phasen der elektrischen Maschine mit kleinen Testströmen beaufschlagt und Spulenimpedanzen gemessen. Aus diesen kann dann auf die initiale Absolutwinkelposition (speziell bei PSM) geschlossen werden.
Durch die beiden Differenzsignale 23, 24 liegen redundante Informationen vor. Daher ist eine zusätzliche Plausibilisierung der ermittelten Absolutwinkelposition durch eine Phasenmessung von jeweils zusammengehörigen ersten
Differenzsignalen 23 und zweiten Differenzsignalen 24 möglich.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer
Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors. Nach einer optionalen Initialisierung 1 wird bei einem ersten Empfangen 2 kontinuierlich ein erstes Signal von dem ersten Sensor 16a und bei einem zweiten Empfangen 3 ein zweites Signal von dem zweiten Sensor 16b empfangen. Aus dem ersten und zweiten Signal, die jeweils ein oder mehrere Differenzsignale 23, 24 sein können, wird bei einem Ableiten 4 kontinuierlich das binäre Signal abgeleitet.
Anschließend wird bei einem Ermitteln 5 der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal kontinuierlich die aktuelle Absolutwinkelposition ermittelt. Dabei wird bei einem Ermitteln 6 der Startwinkel nach der ersten elektrischen
Umdrehung aus dem binären Signal durch Mustererkennung ermittelt und anschließend kontinuierlich bei einem Addieren 7 der Inkrementalwinkel kontinuierlich für jeden neuen Wert des binären Signals zu dem Startwinkel bzw. der vorhergehenden Absolutwinkelposition addiert. Der Startwinkel kann bei dem Ermitteln 6 alternativ auch durch ein Testpulsverfahren oder ein
Stromimpulsverfahren ermittelt werden. Zudem wird bei einem Ermitteln 8 die Drehrichtung nach einer elektrischen Umdrehung aus dem binären Signal oder alternativ aus den zwei Differenzsignalen 23, 24 des ersten Sensors 12a oder des zweiten Sensors 12b ermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Geberradanordnung (10) zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer Drehrichtung eines Rotors, umfassend:
-ein erstes Geberrad (12a), das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das erste Geberrad (12) entlang seines Außenumfangs eine erste Geberradspur (120a) aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen (14a) aufweist;
-eine zweite Geberradspur (120b), die entweder umlaufend an einer
Seitenfläche (130) des ersten Geberrades (12a) oder an einem Außenumfang eines zweiten Geberrades (12b) angeordnet ist, das drehfest mit dem ersten Geberrad (12a) verbunden ist, wobei die zweite Geberradspur (120b) in der Umfangsrichtung (u) der ersten Geberadspur (120a) gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen (14b) wie die erste Geberradspur (120a) aufweist,
- wobei die Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) einen
asymmetrischen Winkelversatz (v) zu den Zähnen (14a) der ersten Geberradspur (120a) aufweisen;
- einen ersten Sensor (16a), der zu einem Abtasten des ersten Geberradspur (120a) eingerichtet ist, wobei der erste Sensor (16a) wenigstens ein
Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer ersten Ebene (El) angeordnet ist,
- einen zweiten Sensor (16b), der zu einem Abtasten der zweiten Geberradspur (120b) eingerichtet ist, wobei der zweite Sensor (16b) wenigstens ein
Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (El) und die zweite Ebene (E2) einen Winkel s kleiner als 180° zueinander einschließen,
-eine Steuerung (17), die mit dem ersten Sensor (12a) und dem zweiten Sensor (12b) kommunikativ verbunden ist, wobei die Steuerung zu einem Ermitteln der Absolutwinkelposition sowie einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf einem binären Signal eingerichtet ist, wobei das binäre Signal aus einem ersten Signal des ersten Sensors (12a) und einem zweiten Signal des zweiten Sensors (12b) abgeleitet ist.
2. Geberadabordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Ebene (El) und die zweite Ebene (E2) einen Winkel s einschließen, der größer als 60° und kleiner als 120° ist und bevorzugt größer als 85° und kleiner als 95° ist und insbesondere 90° ist.
3. Geberradandordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Normalenvektor der ersten Ebene (El) senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne (14a) der ersten Gerberradspur (120a) orientiert ist und der Normalenvektor der zweiten Ebene (E2) senkrecht zu den Stirnseiten der Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) orientiert ist.
4. Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (16a) und der zweite Sensor (16b) jeweils wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente (22a, 22b, 22c) umfassen und wobei das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale (23, 24) aus Messsignalen der wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente (22a, 22b, 22c) des entsprechenden Sensors (16a, 16b) sind.
5. Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Sensor (16a) zum Erzeugen von wenigstens zwei ersten Signalen und der zweite Sensor (16b) zu einem Erzeugen von zwei zweiten Signalen eingerichtet ist.
6. Geberradanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (17) zu einem Ermitteln der Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen eingerichtet ist.
7. Geberradanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) des ersten Sensors (16a) und/oder des zweiten Sensors (16b) ein Hallsensorelement ist und wobei die Zähne (14a) des ersten Geberrads (12a) oder die Zähne (14b) des zweiten Geberrads (12b) ferromagnetisch sind.
8. Verfahren zum Ermitteln einer Absolutwinkelposition und einer
Drehrichtung eines Rotors, umfassend die Schritte:
a) Empfangen (2) eines ersten Signals von einem ersten Sensor (16a), der ein erstes Geberrad (12a) abtastet, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei das erste Geberrad (12) entlang seines Außenumfangs eine erste
Geberradspur (120a) aus einer Anzahl n an gleichmäßig beabstandet
angeordneten Zähnen (14a) aufweist;
b) Empfangen (3) eines zweiten Signals von einem zweiten Sensor (16b), der eine zweite Geberradspur (120b) abtastet, die entweder umlaufend an einer Seitenfläche (130) des ersten Geberrades (12a) oder an einem Außenumfang eines zweiten Geberrades (12b), das drehfest mit dem ersten Geberrad (12a) verbunden ist, angeordnet ist, wobei die zweite Geberradspur (120b) in der Umfangsrichtung (u) der ersten Geberadspur (120a) gesehen, die gleiche Anzahl n an Zähnen (14b) wie die erste Geberradspur (120a) aufweist,
-wobei die Zähne (14b) der zweiten Geberradspur (120b) einen asymmetrischen Winkelversatz (v) zu den Zähnen (14a) der ersten Geberradspur (120a) aufweisen;
wobei der erste Sensor (16a) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer Ebene (El) angeordnet ist, und der zweite Sensor (16b) wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (22a - 22c) aufweist, dessen Sensorfläche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, , wobei die erste Ebene (El) und die zweite Ebene (E2) einen Winkel s kleiner als 180° zueinander einschließen,
c) Ableiten (4) eines binären Signals aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal;
d) Ermitteln (5) der Absolutwinkelposition basierend auf dem binären Signal; und
e) Ermitteln (8) der Drehrichtung basierend auf dem binären Signal.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das erste Signal und das zweite Signal jeweils Differenzsignale (23, 24) aus Messsignalen von wenigstens zwei Magnetfeldsensorelementen (22a, 22b, 22c) des entsprechenden Sensors (16a, 16b) sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei in Schritt a) und Schritt b) entsprechend wenigstens zwei erste Signale und wenigstens zwei zweite Signale empfangen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in Schritt e) die Drehrichtung basierend auf den wenigstens zwei ersten Signalen oder den wenigstens zwei zweiten Signalen ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei in Schritt d) ein Ermitteln (6) eines Startwinkels basierend auf einem Testpulsverfahren oder einem Stromimpulsverfahren erfolgt.
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