WO2020030334A1 - Induktiver positionssensor, insbesondere zur erfassung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements - Google Patents

Induktiver positionssensor, insbesondere zur erfassung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements Download PDF

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WO2020030334A1
WO2020030334A1 PCT/EP2019/065759 EP2019065759W WO2020030334A1 WO 2020030334 A1 WO2020030334 A1 WO 2020030334A1 EP 2019065759 W EP2019065759 W EP 2019065759W WO 2020030334 A1 WO2020030334 A1 WO 2020030334A1
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WO
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signal
position sensor
electronic component
further electronic
inductive position
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/065759
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Utermoehlen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—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
    • G01D5/12—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
    • G01D5/14—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 the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—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 the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—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 the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—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 the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown

Definitions

  • Inductive position sensor in particular for detecting at least one
  • asynchronous machines For example, to implement traction in electric vehicles, either asynchronous machines or synchronous machines are often used, each of which consists of a stationary stator and a rotating rotor.
  • the stator generally carries three winding strands, for example offset by 120 ° / p to one another, where p represents a number of pole pairs.
  • the rotor In asynchronous machines, the rotor usually consists of electrically conductive rods which are short-circuited at the ends. When a rotor field rotates, a voltage can be induced in the rods, which causes a current to flow, which in turn turns on
  • the rotor comprises a rotor which carries an excitation coil in which a direct current flows and generates a static magnetic field.
  • a permanent magnet can be used as the rotor. Then it is about a permanently excited synchronous machine, which has a higher efficiency due to the powerless excitation and so for
  • a speed of the rotor can be identical to the speed of an excitation field.
  • the torque can depend on a phase offset, that is to say an angular difference between the stator field and the rotor.
  • Asynchronous machines know the speed of the rotor and for synchronous machines an absolute angular position of the rotor.
  • Transmitter in which a rotor package is mounted on the shaft of the motor at a fixed speed.
  • An excitation coil and several receiver coils are mounted on a stator all the way round in a ring.
  • An AC voltage signal is applied to the excitation coil and passes through the entire arrangement with an alternating electromagnetic field.
  • a sinusoidal amplitude-modulated voltage can be induced in a first receiver coil, while a cosine-shaped amplitude-modulated voltage is induced in a second receiver coil.
  • a resolver is a purely passive one
  • Electromagnetic resolvers are also known, for example from DE 10 2013 203 937. However, optical resolvers are necessary in addition to high costs, a principle-related cross-sensitivity to dirt and therefore cannot be used in every environment.
  • Absolute angle sensors based on coupled coils. These consist of at least two receiver coils integrated on a printed circuit board as well as a rotating excitation coil.
  • the excitation coil can with a
  • AC voltage signal with a frequency between 1 MHz and 10 MHz are applied and generates an alternating electromagnetic field, which induces voltages in the receiving coils.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Position sensor in particular for detecting at least one
  • the present invention basically understood any device that is suitable for detecting at least one measured variable.
  • An inductive position sensor for detecting at least one rotation property is accordingly understood to be a sensor which is set up to detect, for example measure, the at least one rotation property and which, for example, can generate at least one electrical signal corresponding to the detected property, such as, for example, a voltage or a stream. Combinations of properties can also be recorded.
  • a “rotating property” is fundamentally understood to be a property that at least partially describes the rotation of the rotating element. This can be, for example, an angular velocity, a speed, a
  • the rotating element can at least partially characterize a continuous or discontinuous, uniform or non-uniform rotation or rotation of the rotating element.
  • Rotation property is a position, in particular an angular position, a speed, an angular acceleration or a combination of at least two of these quantities. Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
  • an “angular position” basically means an angle of rotation of a rotatable device, for example of the rotating element or of a sensor wheel, with respect to one perpendicular to the
  • the inductive position sensor can be an inductive rotor position sensor or rotor position sensor.
  • An “inductive position sensor” can in principle be understood in the context of the present invention to be any sensor that can generate a signal corresponding to a detected property, in particular a measurement signal, in particular an electrical measurement signal, for example a voltage or a current, wherein the measurement signal is generated is based on a change in magnetic flux.
  • the detected property can include a position, for example an angular position.
  • the inductive position sensor can be an inductive magnetic sensor.
  • other configurations are also possible in principle.
  • the inductive position sensor can be used in particular in a
  • a “rotating element” is basically understood to mean any element which rotates about at least one axis.
  • the rotating element can be a shaft, for example a shaft in a drive machine, for example a camshaft or a crankshaft.
  • an angular position of a camshaft or a rotational speed of a camshaft or an angular acceleration of a camshaft or a combination of at least two of these quantities can be determined.
  • Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
  • the inductive position sensor includes:
  • the coil arrangement which is arranged on the circuit carrier, the coil arrangement comprising at least one excitation coil and at least two receiver coils;
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the circuit carrier has at least one other
  • Electronic component which is set up to sample the excitation signal and / or at least one signal of the receiver coils.
  • the further electronic component is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • a “circuit carrier” can be understood to mean a device on which at least one electrical component can be arranged.
  • the circuit carrier can be designed flexibly.
  • the circuit carrier can comprise a flexible material.
  • the circuit carrier can in particular be selected from the group consisting of: a printed circuit board, in particular a rigid-flex printed circuit board, for example a curved rigid-flex printed circuit board; a rigid circuit board, in particular a rigid circuit board with notches; a circuit board; a circuit board and a printed circuit, in particular a “printed circuit board” (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the circuit carrier can be arranged essentially coaxially to the axis of rotation.
  • the circuit carrier can be, for example, a sensor wheel or a segment of a circle of the sensor wheel described below
  • the present invention basically understood that the component described has a radius of curvature.
  • the radius of curvature can vary within the component by a value from 0% to 80%, preferably from 0% to 50%, more preferably from 0% to 20% and particularly preferably from 0% to 5%.
  • the radius of curvature can also be constant.
  • the circuit carrier can also be composed of two or more segments which, for example, can each be flat or curved and which can be connected to one another, for example. The segments as a whole can then also be arranged coaxially to the axis of rotation, even if the individual segments are then arranged, for example, tangentially.
  • the circuit carrier can be arranged in a housing, in particular in an injection molded housing.
  • a “coil arrangement” can in principle be understood to mean any device which comprises at least one coil.
  • a “coil” is basically understood to mean any component which has an inductance and is suitable for generating a magnetic field when current flows and / or vice versa.
  • a coil can comprise at least one completely or partially closed conductor loop or turn.
  • an “excitation coil” can in principle be understood as a coil that generates a magnetic flux when an electrical voltage and / or an electrical current is applied.
  • the excitation coil can have at least one excitation turn.
  • a “receiver coil” is basically understood to be a coil which is set up on the basis of an inductive one
  • the coil arrangement can have a receiver coil system.
  • a “receiver coil system” can in principle be understood to mean any device which comprises at least two, preferably at least three, receiver coils.
  • the excitation coil can be essentially circular.
  • the excitation coil and the receiver coils can be configured as described in DE 10 2017 210 655.7, filed on June 23, 2017.
  • the receiver coils can rotate in a circumferential direction Circulate substantially completely, wherein each receiver coil is formed by a plurality of adjacent partial turns, with adjacent ones
  • Partial turns are oriented in opposite directions with respect to the current flow direction.
  • each partial turn with respect to a radial direction which extends outward from the axis of rotation, is formed from sections of at least two arcuate conductor tracks curved to the left and from
  • Circumferential direction is rotated by half of the measuring range with respect to the first point.
  • the further right-curved conductor tracks result from the preceding right-curved conductor track by rotating them
  • a partial turn of a receiver coil can be defined as a part of the receiver coil which is surrounded by conductor tracks of the receiver coil which do not intersect with one another.
  • Orientation of a partial turn is determined by a current flow through the receiver coil.
  • Counter-oriented partial windings each have current flows in opposite directions when a current flows through the receiver coil, i.e. with a partial turn with a first orientation, the current runs in the
  • a partial turn can only be constructed as an example with a diamond with curved side surfaces.
  • the four side surfaces of such a diamond can be formed, for example, by two sections of two left-curved conductor tracks and two right-curved conductor tracks.
  • the current direction in at least two sections of the left-curved conductor tracks, which form a partial turn can be opposite to one another.
  • Receiver coil runs. In this way e.g. can also be achieved that the amplitude of the alternating voltage induced in the receiver coil or the measurement signal essentially depends on the angle of rotation as a sine function.
  • the inductive position sensor can comprise a number of n receiver coils, where n is a positive integer.
  • the generated sinusoidal signals of the n receiver coils can be out of phase with one another.
  • adjacent sinusoidal signals have a phase separation of 2tt / (h) and / or 360 ° / (n) for n> 3.
  • adjacent sinusoidal signals from exactly two receiver coils can have a phase separation of 90 °.
  • adjacent sinusoidal signals from exactly three receiver coils can have a phase spacing of 120 °.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the application-specific integrated circuit arranged on the circuit carrier.
  • the application-specific integrated circuit can be arranged on the circuit carrier and connected to exactly one excitation coil and at least two receiver coils.
  • application-specific integrated circuit is set up to a
  • excitation signal to provide can be understood that the application-specific integrated circuit is set up to generate the excitation signal and / or that the application-specific integrated circuit is set up to apply the excitation signal to the excitation coil.
  • excitation signal can be understood to mean an electrical signal, in particular at least one alternating voltage and / or at least one alternating current.
  • the excitation signal can be a
  • sinusoidal is understood in principle to mean any shape which has a course of a sine curve.
  • a course of a complete sine curve can be included or only part of a sine curve.
  • essentially sinusoidal is understood in principle to mean any shape which has a course of a sine curve.
  • Embodiments are understood to have a completely sinusoidal course, deviations being conceivable which are not more than 20%, in particular not more than 10% or even not more than 5%, of the absolute value of the sinusoidal shape.
  • a “complete sinus curve” can in particular be understood to mean a course of a sinus curve which comprises at least one period.
  • the sine curve can start at the zero point or any other point on the sine curve.
  • the sinusoidal shape can also be composed, for example, in sections from other functions, so that an approximate sinusoidal shape results overall.
  • the excitation signal can have an amplitude in the range from 0.1 V to 10 V, preferably from 5 V.
  • the excitation signal can have a frequency in the range from 1 MHz to 10 MHz, preferably 3.5 MHz.
  • the application-specific integrated circuit can have at least one
  • the oscillator circuit can drive an LC oscillator, for example, in which the excitation coil and a capacitor act as frequency-determining elements.
  • Excitation coil with the excitation signal can produce an alternating electromagnetic field, which couples into the receiver coils and induces, for example, corresponding alternating voltages and / or alternating currents.
  • the inductive position sensor can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil.
  • the excitation coil may be configured to generate an alternating electromagnetic field in response to the exposure to the excitation signal.
  • the excitation coil and the Receiver coils can be coupled such that the alternating electromagnetic field induces an alternating voltage in the receiver coils.
  • the receiver coils can be arranged in such a way that the receiver coils generate rotation angle-dependent signals when the rotating element rotates at a constant angular velocity about the axis of rotation.
  • the application-specific integrated circuit is set up to process signals generated by the receiver coils and to provide them as output signals, for example an evaluation unit.
  • “Processing” can basically be understood to mean any operation of signal processing in order to generate an output signal, for example evaluation, filtering, demodulation.
  • the signal processing can be digital and / or analog.
  • the signal processing can preferably be carried out purely analog.
  • the application-specific integrated circuit can in particular be set up to infer an amount and a phase of the coupling by demodulating a signal induced in the receiver coils with a carrier signal, that is to say a signal from the excitation coil.
  • the amount can in particular vary continuously with the angle of rotation.
  • a phase position can be 0 ° or 180 °, for example.
  • application-specific integrated circuit can have at least one
  • the demodulation can include multiplying by the excitation signal. For example, multiplying the amount by a cosine function can result in a preferably offset-free Sin / Cos system, in particular when using two receiver coils with a 90 ° phase offset in relation to the measuring range.
  • a three-phase sine signal can arise in particular, which can be converted into a Sin / Cos system, for example, by using the Clarke transformation.
  • the application-specific integrated circuit can have at least one low-pass filter.
  • Circuit carrier designed separately evaluation unit are transmitted.
  • the circuit carrier has at least one further electronic component.
  • the further electronic component is on the
  • a “further electronic component” can be understood to mean an electronic component of any design, which is set up to sample the excitation signal and / or at least one signal of the receiver coils. “Scanning” can be understood to mean, in particular, the detection of a signal. The other electronic
  • the component can be set up to increase the functional safety of the ASIC.
  • the further electronic component can be set up to plausibility check at least one variable detected and / or provided by the ASIC.
  • plausibility check can be understood to mean verifying a recorded variable and / or comparing a recorded variable with a target variable and / or determining a deviation between a recorded variable with a target variable.
  • the further electronic component can be set up a frequency and / or an amplitude of the
  • the further electronic component can be set up to check an amplitude of a first receiver coil signal, for example whether demodulation of a first channel functions without errors.
  • the further electronic component can be set up to check an amplitude of a second receiver coil signal, for example whether demodulation of a second channel is functioning without errors.
  • the further electronic component is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • the further electronic component can be configured separately from the ASIC.
  • the further electronic component can comprise at least one element selected from the group consisting of: a micro controller; a digital signal processor; a field
  • the further electronic component can be set up to use a clocking scheme to excite the signal and / or the at least one signal
  • the further electronic component can have at least one analog-digital converter and / or a clock generator.
  • a sampling frequency for sampling the excitation signal and / or the at least one signal of the receiver coils can be twice as high as one
  • Signal frequency of the excitation signal In order to digitize and completely reconstruct the raw signals, at least twice the sampling frequency compared to the signal frequency would have to be used according to the Nyquist criterion. For example, a signal frequency of 3.5 MHz would have to be sampled with at least 7 MHz. Available by default
  • microcontrollers do not support such high sampling frequencies.
  • a time for sampling can correspond to a local maximum of the excitation signal in the timing diagram.
  • Electronic component can be set up to determine zero crossings of the excitation signal and from this to determine a frequency of the excitation signal.
  • the further electronic component can be set up to scan the excitation signal and / or the at least one signal of the receiver coils in each case a quarter period after passing through the zero crossing, for example from minus to plus.
  • the further electronic component can be set up to sample the excitation signal and / or the at least one signal of the receiver coils in each case a quarter period after passing through an n-th zero crossing, with n> 1.
  • the further electronic component can be set up to interpolate intermediate values.
  • the further electronic component is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • “Compare” can be understood to mean, for example, a mathematical operation, in particular one
  • Receiver coils to process further before the output signal to the
  • the further electronic component can be set up to generate a further output signal depending on a result of the comparison, which output signal contains at least one item of information Shows deviation.
  • the inductive position sensor can have at least one first further electronic component and at least one second further electronic component. The first more electronic
  • the component and the second further electronic component can be configured separately from one another.
  • the first further electronic component can be set up to sample the excitation signal and / or the at least one signal of the receiver coils.
  • the first further electronic component can be set up to provide at least one output signal to the second further electronic component.
  • the second further electronic component can be set up to compare the excitation signal and / or the at least one signal of the receiver coils and the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • the further electronic component can compare the signals of the ASIC with the measured amplitudes.
  • the second further electronic component can be set up to generate a further output signal depending on the result of the comparison, which comprises at least one piece of information about a deviation and / or to overwrite outputs of the application-specific integrated circuit depending on the result of the comparison and / or to generate a warning depending on the result of the comparison and to send it to the evaluation unit.
  • the second further electronic component can generate and provide an additional output signal, which, for example, represents binary information into which is encoded whether the output signals of the ASIC deviate from the signals determined by the first further electronic component or not.
  • the second further electronic component can also overwrite the outputs of the ASIC in the event of a fault and, for example, bring the values into an invalid state, for example set both levels to high or low simultaneously, so that the evaluation unit is informed of a sensor error.
  • the inductive position sensor can have at least one contact element.
  • the inductive position sensor can be connected to the evaluation unit by means of the
  • the contact element can be connected.
  • the contact element can be selected from the group consisting of: at least one hole for ram contacts, at least one soldered plug, at least one contact pad.
  • the inductive position sensor can have packaging, in particular around the inductive position sensor with chip protection.
  • the packaging can have at least one connecting element.
  • the position sensor can be fastened to a further device by means of the connecting element. This can be done by one or more of the
  • the packaging can completely or partially surround all components of the inductive position sensor. It can preferably have bores or recesses through which the inductive position sensor can be fastened with a screw connection, for example to a B-bearing plate of the further device. Alternatively or additionally, the inductive position sensor can also be equipped with clips, one
  • a sensor system for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one rotational axis has at least one inductive position sensor according to the invention according to one of the embodiments described above or below. Accordingly, for
  • the sensor system has at least one sensor wheel that can be connected to the rotating element.
  • the sensor system has at least one evaluation unit.
  • a “system” can be understood to mean any device that has at least two components.
  • a “transmitter wheel” can in principle be understood to mean any component that can be connected to the rotating element and that is set up to cause at least one measurable signal, in particular a magnetic field change, per revolution of the rotating element when connected to the rotating element.
  • the sensor wheel can, for example, be permanently or reversibly connected or connectable to the rotating element or can also be formed in one piece with the rotating element or integrated into the rotating element.
  • the sensor wheel can have a sensor wheel profile. Within the scope of the present invention, a total of profile elements and of spaces that are arranged between the profile elements can be understood.
  • a “profile element” of the sensor wheel can in principle be understood to mean any shape of the contour of the sensor wheel, in particular a bulge,
  • the sensor wheel can, for example, be designed to “shade” areas of a receiver coil structure depending on its position. As a result, a coupling between a transmitter coil structure and the receiver coils can be influenced as a function of the angle of rotation.
  • Coupling factor can be, for example, -0.3 to +0.3.
  • a coupling factor can in particular be understood to mean an amplitude ratio between a received signal and a transmitted or excitation signal.
  • the coupling factor can in particular run sinusoidally with the angle of rotation.
  • the coil arrangement can surround the sensor wheel or at least one circle segment of the sensor wheel essentially in the form of a segment of a circle or in a circle.
  • the coil arrangement in particular that on the
  • Circuit carrier arranged coil arrangement in at least one
  • Angular position of the encoder wheel cover at least one profile element and at least one space between two profile elements of the encoder wheel.
  • the sensor system in particular the inductive position sensor, can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil.
  • the sensor system can be set up to detect the inductive coupling caused by a movement and / or a position of the transmitter wheel and / or the change in the inductive coupling caused by a movement and / or a position of the transmitter wheel between the excitation coil and the receiver coils.
  • the evaluation unit can have at least one evaluation circuit.
  • the evaluation unit can have at least one evaluation circuit.
  • Evaluation circuit be set up to evaluate the signals of the position sensor.
  • the evaluation circuit can be, for example Act processor.
  • the evaluation unit can in particular be configured separately from the circuit carrier and can be connectable to the circuit carrier via at least one connection, for example a cable.
  • “An evaluation unit” can generally be understood to mean an electronic device which is set up to evaluate signals generated by the inductive position sensor, in particular the ASIC and / or the first and / or second further electronic component. For example, one or more electronic connections between the inductive position sensor and the evaluation unit can be provided for this purpose.
  • the evaluation unit can, for example, have at least one
  • the data processing device can have one or more volatile and / or non-volatile data memories, it being possible for the data processing device to be set up, for example, in terms of programming, in order to control the inductive position sensor.
  • the evaluation unit can further comprise at least one interface, for example an electronic interface and / or a human-machine interface, such as an input / output device such as a display and / or a keyboard.
  • the evaluation unit can, for example, be constructed centrally or decentrally. Other configurations are also conceivable.
  • the encoder wheel can be designed to be rotationally symmetrical.
  • the sensor wheel can have an identical number of electrically conductive blades and electrically non-conductive or less conductive blades and / or recesses.
  • the electrically conductive wings can have a first opening angle ⁇ and the electrically non-conductive or less conductive wings and / or the cutouts can have a second opening angle ⁇ . A sum of the first and the second
  • Opening angle can be a full angle measurement range of the inductive
  • Position sensor correspond.
  • the first and the second opening angle can be identical or different.
  • the encoder wheel can be on the rotating
  • Element can be fastened by means of a screw and / or adhesive connection.
  • the evaluation unit is set up to infer an angular position F of the sensor wheel from signals from the receiver coils.
  • the sensor system can in particular be set up to change the inductive coupling caused by the movement and / or by a position of the sensor wheel to determine an absolute or relative angular position of the rotating element between the excitation coil and the receiver coils.
  • a “relative angular position” can basically be understood to mean a position with respect to a period defined by the receiver coils.
  • the evaluation circuit can be set up to generate at least one quotient of at least two signals from at least two receiver coils.
  • the Clarke transformation can be used to calculate the angular position F from three signals generated by three of three receiver coils be used.
  • the sensor system can comprise a single sensor wheel or a plurality of sensor wheels.
  • the sensor system can comprise two sensor wheels.
  • the at least two encoder wheels can be arranged offset with respect to one another with respect to the axis of rotation, that is, for example, with an axial offset.
  • the at least two sensor wheels can have the same or, in particular, different sensor wheel profiles.
  • a method for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one rotational axis comprises the use of at least one sensor system.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given.
  • the method can, in addition to the method steps mentioned, also other
  • Process steps include. The process steps are:
  • the method is carried out using a sensor system according to the present invention, that is to say according to one of the abovementioned
  • a computer program which, when running on a computer or computer network, executes the method according to the invention in one of its configurations.
  • a computer program with program code means is proposed in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network.
  • the program code means can be stored on a computer-readable data carrier.
  • a data carrier is proposed within the scope of the present invention, on which a data structure is stored, which after loading into a main memory and / or main memory of a computer or
  • a computer program product is understood to mean the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or a computer-readable data carrier, and can in particular be distributed over a data transmission network.
  • Computer network includes executable instructions for performing a method according to one of the described embodiments.
  • the proposed device and the proposed method have numerous advantages over known devices and methods.
  • Position sensor which is used to control an electrical machine can be provided.
  • the devices according to the invention allow an increase in functional safety by relocating the
  • a signal plausibility check can be done with a
  • Standard microcontrollers can be implemented and thus only cause low additional costs. Furthermore, the proposed devices and methods are based on robust sensor concepts. A simple and inexpensive sensor wheel can also be used.
  • the proposed devices and methods can be used for any inductive position sensors based on coupled coils.
  • the measuring principle does not require an expensive magnet. A smaller installation space in contrast to known sensors is possible. The measuring principle is practically not due to a high carrier frequency
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • Figure 3 shows an embodiment of a transmitter wheel
  • FIG. 4 shows an ASIC structure according to the invention
  • Figure 5 waveforms of the sensor system according to the invention
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a signal plausibility check
  • FIG. 7 integration of a further electronic component in the inductive position sensor
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor system 110 for determining at least one rotational property by at least one
  • Rotation axis 112 of rotating element 114 is shown.
  • the sensor system 110 can in particular be set up for use in the motor vehicle.
  • the sensor system 110 can detect at least one
  • Rotational property of a camshaft can be set up.
  • the sensor system 110 can be configured to detect an angular position of the camshaft.
  • the rotating element 114 can be a shaft, for example.
  • the shaft can carry a permanent magnet 116.
  • a cylindrical shape around this permanent magnet 116 can be
  • Stator coil package 118 may be arranged.
  • An output can be arranged in the negative z direction and is not shown further.
  • a B bearing 120 can be arranged, which receives the axis 114.
  • the sensor system 110 has at least one inductive position sensor 124.
  • the B bearing 120 can be connected to a B bearing plate 122 which holds the inductive position sensor 124.
  • the sensor system 110 has at least one sensor wheel 126 that can be connected to the rotating element 114.
  • the encoder wheel 126 which is connected to the shaft and rotates with it, can be arranged between the B bearing 120 and the inductive position sensor 124.
  • the sensor system has at least one
  • Evaluation unit 130 on.
  • the inductive position sensor 124 can be connected to the evaluation unit 130 via a cable 128.
  • Evaluation unit 130 can supply the inductive voltage
  • the evaluation unit 130 can be provided position sensor 124.
  • the evaluation unit 130 can be provided position sensor 124.
  • the sensor system 110 can further comprise one or more additional elements, for example one or more further functional elements not shown in the figures, such as electrodes, electrode leads and contacts, several layers, heating elements or other elements.
  • the inductive position sensor comprises at least one circuit carrier 132.
  • the circuit carrier 132 can, for example, have a printed circuit board which revolves around the rotating element 114 in a substantially circular manner and preferably covers an angular range of 360 °.
  • the inductive position sensor comprises at least one coil arrangement 134, not shown here, which is arranged on the circuit carrier 132.
  • the coil arrangement 134 comprises at least one excitation coil 136 and at least two receiver coils 138, see for example FIG. 4.
  • the inductive position sensor comprises at least one application-specific integrated circuit (ASIC) 140, which is set up to provide an excitation signal for the excitation coil 136.
  • the application-specific integrated circuit 140 is set up to process signals generated by the receiver coils 138 and to provide them as output signals, for example the evaluation unit 130.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Position sensor 124 has at least one contact element 142 to which the cable 128 can be attached.
  • the contact element 142 can be a hole for ram contacts, a soldered plug or pads, with which the cable 128 can be connected to the circuit carrier 132 by a soldering process.
  • the circuit carrier 132 has at least one further electronic one
  • Component 144 which is set up to sample the excitation signal and / or at least one signal of the receiver coils 138.
  • the further electronic component 144 is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit 140.
  • the cable 128 can for
  • the inductive position sensor 124 can have a packaging 146.
  • the packaging 146 can allow the inductive position sensor 124 to be provided with chip protection and to ensure a sufficiently high mechanical strength.
  • Package 146 may be replaced by one or more of the
  • the packaging 146 can completely or partially surround all components of the inductive position sensor 124.
  • the packaging 146 can have at least one connecting element 148, preferably bores and / or recesses, through which the inductive position sensor 124 can be fastened, for example with a screw connection 150, to the B-bearing plate 122.
  • the inductive position sensor 124 can also be attached to the B-bearing plate 122 using clips, an adhesive connection or other methods.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an encoder wheel 126 according to the invention is shown in FIG.
  • the encoder wheel 126 can be configured to be rotationally symmetrical.
  • the encoder wheel 126 can have an identical number of electrically conductive vanes 152 with a first opening angle ⁇ and electrically non or less conductive vanes and / or recesses 154 with a second opening angle ⁇ .
  • a sum of the first and second opening angles can correspond to a full angle measuring range d of the inductive position sensor 124.
  • the first and the second opening angle can be identical or different in size.
  • the encoder wheel 126 can be fastened to the rotating element 114 via a screw and / or adhesive connection and / or with a longitudinal pressing process.
  • FIG. 4 shows a construction of an ASIC 140 according to the invention.
  • the ASIC 140 can be connected exactly to an excitation coil 136 and at least two receiver coils 138.
  • An essentially sinusoidal excitation signal 158 can be generated with a block 156 (not shown in more detail)
  • block 156 is an oscillator circuit which drives an LC oscillator in which the excitation coil 136 and at least one capacitor (not shown) act as frequency-determining elements.
  • the amplitude of the excitation signal 158 can be in the range from 0.1 V and 10 V, preferably 5 V, at frequencies in the range from 1 MHz and 10 MHz, preferably 3.5 MHz.
  • the application-specific integrated circuit 140 can have at least one demodulation device 160, which is set up to demodulate the signals 159, 161 1 of the receiver coils 138, in particular synchronously. Demodulating may include multiplying by excitation signal 158.
  • the application-specific integrated circuit 140 can have at least one low-pass filter 162.
  • the low-pass filter 162 can have a cut-off frequency in the range from 50 kHz to 500 kHz, preferably 100 kHz.
  • the application-specific integrated circuit 140 can first demodulate the signals 159, 161 of the receiver coils 138 and then filter using the low pass 162.
  • Application-specific integrated circuit 140 may further include at least one amplifier 164.
  • Amplifier 164 can amplify the filtered signals. After the optional amplification in the amplifiers 164, the output signals 166, 168 can be transmitted directly to the evaluation unit 130 via the cable 128.
  • Exemplary signal profiles as a function of the angle of rotation for a continuous rotary movement are shown in FIG. 5.
  • a demodulated sinusoidal signal 168 and a demodulated cosine-shaped signal 166 result as a function of the angle of rotation.
  • the further electronic component 144 can be set up to at least one size detected and / or provided by the ASIC 140
  • the further electronic component 144 can be set up to check a frequency and / or an amplitude of the excitation signal 158, for example whether excitation is realized with a desired frequency and amplitude.
  • the further electronic component 144 can be set up to check an amplitude of a first receiver coil signal 159, for example whether demodulation of a first channel is error-free works.
  • the further electronic component 144 can be set up to check an amplitude of a second receiver coil signal 161, for example whether a demodulation of a second channel functions without errors.
  • the further electronic component 144 is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit 130.
  • the further electronic component 144 can be configured separately from the ASIC 130.
  • electronic component 144 may include at least one element selected from the group consisting of: a micro controller; a digital signal processor; a field programmable gate array (FPGA).
  • a micro controller may include at least one element selected from the group consisting of: a micro controller; a digital signal processor; a field programmable gate array (FPGA).
  • FPGA field programmable gate array
  • the further electronic component 144 can be configured to use a clock scheme to generate the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159,
  • Component 144 can have at least one analog-digital converter and / or a clock generator.
  • a sampling frequency for sampling the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138 can be twice as high as a signal frequency of the excitation signal 158.
  • the Nyquist criterion in order to digitize and completely reconstruct the raw signals twice the sampling frequency compared to the signal frequency. For example, a signal frequency of 3.5 MHz would have to be sampled with at least 7 MHz.
  • the further electronic component 144 can be set up for undersampling. Such a scan is shown in FIG. 6. In the timing diagram, a time 170 for sampling can correspond to a local maximum of the excitation signal 158. The further electronic component 144 can be set up to determine zero crossings of the excitation signal 158 and from these a frequency of the
  • the further electronic component 144 can be set up to sample the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138, in each case a quarter period after passing through the zero crossing, for example from minus to plus.
  • the further electronic component 144 can be set up to excite the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 by a quarter period after passing through an n-th zero crossing, with n> 1 To scan receiver coils 138.
  • the further electronic component 144 can be set up to interpolate intermediate values.
  • FIG. 7 shows the integration of the further electronic component 144 into the inductive position sensor 124.
  • the further electronic component 144 can be set up to sample the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138, in each case a quarter period after passing through the zero crossing, for example from minus to plus.
  • the further electronic component 144 can be set up to excite the excitation signal 158
  • the further electronic component 144 is set up to compare the at least one sampled signal and the output signals of the application-specific integrated circuit 130.
  • the further electronic component 144 can be set up to further process the sampled excitation signal 158 and / or the sampled at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138.
  • the further electronic component 144 can
  • the further electronic component 144 can be set up to generate, depending on a result of the comparison, the further output signal 172, which has at least information about a deviation.
  • the inductive position sensor 124 can have a first further electronic component 174 and a second further electronic component 176.
  • the first further electronic component 174 and the second further electronic component 176 can be configured separately from one another.
  • the first further electronic component 174 can be set up to sample the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138.
  • the first further electronic component 174 can be set up to provide the at least one output signal 172 to the second further electronic component 176.
  • the second further electronic component 176 can be set up to compare the excitation signal 158 and / or the at least one signal 159, 161 of the receiver coils 138 and the output signals 166, 168 of the application-specific integrated circuit 130.
  • the further electronic component 144 can compare the signals of the ASIC 130 with the measured amplitudes.
  • the second further electronic component 144 can be set up to generate, depending on the result of the comparison, a further output signal 178 which comprises at least information about a deviation and / or by depending on the result of the comparison, to overwrite outputs of the ASIC and / or to generate a warning depending on the result of the comparison and to send it to the evaluation unit 130.
  • the second further electronic component 176 can generate and provide the additional output signal 178, which, for example, represents binary information into which it is encoded whether the output signals of the ASIC 130 deviate from the signals determined by the first further electronic component 174 by a previously specified value or not.
  • the second further electronic component 176 can also overwrite the outputs of the ASIC 130 in the event of a fault and, for example, bring the values into an invalid state, for example, set both levels to high or low simultaneously, so that the evaluation unit 130 is informed of a sensor error ,

Abstract

Es wird ein induktiver Positionssensor (124), insbesondere zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), vorgeschlagen, umfassend: - mindestens einen Schaltungsträger (132); - mindestens eine Spulenanordnung (134), welche auf dem Schaltungsträger (132) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (134) mindestens eine Erregerspule (136) und mindestens zwei Empfängerspulen (138) umfasst; - mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (140), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal (158) für die Erregerspule (136) bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen (138) erzeugte Signale (159, 161) zu verarbeiten und als Ausgangssignale (166, 168) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (132) mindestens ein weiteres elektronisches Bauelement (144) aufweist, welches eingerichtet ist, um das Erregersignal (158) und/oder mindestens ein Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) abzutasten, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale (166, 168) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu vergleichen.

Description

Beschreibung
Titel
Induktiver Positionssensor, insbesondere zur Erfassung mindestens einer
Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben. Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden.
Beispielsweise für eine Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen werden häufig entweder Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet, welche jeweils aus einem ortsfesten Stator und einem sich drehenden Rotor bestehen. Der Stator trägt in der Regel drei, beispielsweise um 120°/p zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei p eine Anzahl von Polpaaren repräsentiert. Bei Asynchronmaschinen besteht der Rotor üblicherweise aus an Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben. Bei einer Drehung eines Rotorfeldes kann so in den Stäben eine Spannung induziert werden, welche einen Stromfluss hervorruft, welcher wiederum ein
Gegenmagnetfeld aufbaut und es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Die induzierte Spannung ist Null, wenn sich Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen. Es stellt sich eine Drehzahldifferenz ein, welche als Schlupf bezeichnet wird und welche das Moment des Motors definiert. Bei Synchronmaschinen umfasst der Rotor einen Läufer, welcher eine Erregerspule trägt, in welchem ein Gleichstrom fließt und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine, welche aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und so für
Traktionsanwendungen geeigneter sein kann. Eine Drehzahl des Rotors kann prinzipbedingt identisch zur Drehzahl eines Erregerfelds sein. Das Drehmoment kann von einem Phasenversatz, also einer Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotor, abhängen. Zur Regelung des Moments, Ansteuerung eines Inverters und entsprechender Bereitstellung von Statorspulensignalen muss für
Asynchronmaschinen die Drehzahl des Rotors und für Synchronmaschinen eine Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein.
Um diese Größen zu ermitteln ist es bekannt sogenannte Resolver zu verwenden. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen
Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehzahlfest auf der Welle des Motors montiert ist. Kreisringförmig umlaufend sind auf einem Stator eine Erregerspule sowie mehrere Empfängerspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld. Drehwinkelabhängig kann in einer ersten Empfängerspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert während in einer zweiten Empfängerspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Die Bereitstellung des
Erregersignals sowie das Auslesen der Signale kann innerhalb der
Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden. Ein Resolver ist eine rein passive
Komponente und sämtliche Signalverarbeitung kann im Steuergerät, bzw. der Leistungselektronik, realisiert werden, so dass höchste Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß ISO 26262 erfüllt werden können. Resolver benötigen jedoch relativ viel Bauraum, erfordern eine komplexe
Signalbereitstellung und -aufbereitung und müssen mit sehr geringen
mechanischen Toleranzen montiert werden, um eine ausreichend hohe
Genauigkeit zu erreichen. Aus diesen genannten Gründen können Systemkosten entsprechend hoch sein. Weiterhin kann es aus Platzgründen nicht möglich sein auf den Stator des Resolvers ein redundantes Empfangsspulensystem zu montieren, um eine Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen. So kann ein Ausfall des Sensors zum„Liegenbleiben“ des Fahrzeugs führen. Neben
elektromagnetischen Resolvern sind auch optische Resolver bekannt, beispielsweise aus DE 10 2013 203 937. Optische Resolver bedingen jedoch neben hohen Kosten eine Prinzip-bedingte Querempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung und sind demzufolge nicht in jedem Umfeld einsetzbar.
Weiter bekannt, beispielsweise aus EP 0 909 955 Bl, sind induktive
Absolutwinkelsensoren auf Basis gekoppelter Spulen. Diese bestehen aus mindestens zwei auf einer Leiterplatte integrierten Empfangsspulen sowie einer umlaufenden Erregerspule. Die Erregerspule kann mit einem
Wechselspannungssignal mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz beaufschlagt werden und erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in den Empfangsspulen Spannungen induziert. Durch Überstreichen mit einer elektrisch leitfähigen Targetstruktur kann die Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden und mit mindestens einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) bestimmt werden. Dies kann jedoch aus Gründen der funktionalen Sicherheit problematisch sein, da nur eingeschränkt Diagnosen auf Rohsignalebene bzw. entlang der Signalverarbeitungskette durchgeführt werden können. Abhilfe könnte eine Nutzung zweier ASICs sein, die allerdings von unterschiedlichen Lieferanten entwickelt und hergestellt sein müssen, um Fehler gleicher Ursache, sogenannte common-cause Fehler, zu vermeiden. Dies ist aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen oft nicht umsetzbar.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein induktiver
Positionssensor, insbesondere zur Erfassung mindestens einer
Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements, vorgeschlagen. Unter einem„Sensor“ wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem induktiven Positionssensor zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensor verstanden, welcher eingerichtet ist, um die mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen, beispielsweise zu messen, und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Signal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer„Rotationseigenschaff wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine
Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der
Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder eines Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der
Rotationsachse stehenden Achse verstanden. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder Rotorpositionssensor sein. Unter einem„induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der ein Signal entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen.
Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Magnetsensor handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Der induktive Positionssensor kann insbesondere zum Einsatz in einem
Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem„rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Der induktive Positionssensor umfasst:
- mindestens einen Schaltungsträger;
- mindestens eine Spulenanordnung, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfasst;
- mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale bereitzustellen. Der Schaltungsträger weist mindestens ein weiteres
elektronisches Bauelement auf, welches eingerichtet ist, um das Erregersignal und/oder mindestens ein Signal der Empfängerspulen abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu vergleichen.
Unter einem„Schaltungsträger“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex- Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex- Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem„printed Circuit board“ (PCB).
Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads eines weiter unten beschriebenen
Sensorsystems im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff„im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
Unter einer„Spulenanordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer„Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven
Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem „Empfängerspulensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Empfängerspulen umfasst.
Die Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein.
Hinsichtlich des Begriffs„im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verwiesen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können, wie in DE 10 2017 210 655.7, eingereicht am 23.06.2017, beschrieben, ausgestaltet sein. Die Empfängerspulen können die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig umlaufen, wobei jede Empfängerspule durch eine Mehrzahl benachbarter Teilwindungen gebildet ist, wobei benachbarte
Teilwindungen bezüglich der Stromlaufrichtung gegensätzlich orientiert sind. Dabei ist jede Teilwindung bezüglich einer radialen Richtung, die sich von der Rotationsachse nach außen erstreckt, gebildet aus Abschnitten von wenigstens zwei nach links gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen und aus
Abschnitten von wenigstens zwei nach rechts gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen. Alle linksgekrümmten und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen weisen denselben Krümmungsradius auf. Alle linksgekrümmten Leiterbahnen und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen erstrecken sich zwischen zwei konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse, einem ersten Kreis mit einem ersten Radius und einem zweiten Kreis mit einem zweiten Radius, wobei ein dritter Kreis gegeben ist, der konzentrisch zum ersten Kreis gelegen ist und einen dritten Radius aufweist, der sich aus dem Mittelwert des ersten Radius und des zweiten Radius ergibt, wobei eine erste rechtsgekrümmte Leiterbahn durch drei Punkte verläuft: durch einen ersten Punkt, der auf dem ersten Kreis liegt; durch einen zweiten Punkt, der auf dem dritten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um ein Viertel des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist; und durch einen dritten Punkt, der auf dem zweiten Kreis liegt und in
Umfangsrichtung um die Hälfte des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist. Die weiteren rechtsgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich aus der vorfolgenden rechtsgekrümmten Leiterbahn durch eine Drehung um die
Drehachse um die Hälfte des Messbereichs in Umfangsrichtung. Die
linksgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich durch Spiegelungen der rechtsgekrümmten Leiterbahnen jeweils an einer Radiallinie, die sich von der Drehachse durch den Schnittpunkt der jeweiligen rechtsgekrümmten Leiterbahn mit dem dritten Kreis erstreckt. Eine Teilwindung einer Empfängerspule kann dabei als ein Teil der Empfängerspule definiert sein, der von Leiterbahnen der Empfängerspule umgeben ist, die sich nicht gegenseitig schneiden. Die
Orientierung einer Teilwindung bestimmt sich über einen Stromfluss durch die Empfängerspule. Gegenläufig orientierte Teilwindungen weisen bei einem Stromfluss durch die Empfängerspule jeweils gegenläufig Stromflüsse auf, d.h. bei einer Teilwindung mit einer ersten Orientierung läuft der Strom im
Uhrzeigersinn bzw. nach rechts durch die Teilwindung, bei einer Teilwindung mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung läuft der Strom gegen den
Uhrzeigersinn bzw. nach links durch die Teilwindung. Eine Teilwindung kann lediglich beispielhaft wie eine Raute mit gekrümmten Seitenflächen aufgebaut sein. Die vier Seitenflächen einer solchen Raute können z.B. durch je zwei Teilstücke zweier linksgekrümmten Leiterbahnen und zweier rechtsgekrümmter Leiterbahnen ausgebildet sein. Beispielsweise kann dabei die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der linksgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Ebenso kann die
Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der rechtsgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Der Aufbau der Teilwindungen ist dabei so zu verstehen, dass eine gedachte gerade Linie, die von der Rotationsachse ausgeht und in radialer Richtung verläuft, eine nach links und eine nach rechts gekrümmte kreisbogenförmige Leiterbahn der Empfängerspule schneidet, wenn die gerade Linie durch das Innere der
Empfängerspule verläuft. Auf diese Weise kann z.B. auch erreicht werden, dass die Amplitude der in der Empfängerspule induzierten Wechselspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen als Sinusfunktion von dem Drehwinkel abhängt.
Der induktive Positionssensor kann eine Anzahl von n Empfängerspulen umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Die generierten sinusförmigen Signale der n Empfängerspulen können gegeneinander phasenversetzt sein. Beispielsweise können benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2tt/(2h) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können
beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2tt/(h) und/oder 360°/(n) für n>3 aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau zwei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau drei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 120° aufweisen.
Unter einer„anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Insbesondere ist die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung auf dem Schaltungsträger angeordnet. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eingerichtet, um ein
Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. Unter ein„Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen. Unter einem
„Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im
Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter„sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter em Wesentlichen sinusförmig“ können
Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer„vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine
Oszillatorschaltung aufweisen. Die Oszillatorschaltung kann beispielsweise einen LC Oszillator treiben, bei welchem die Erregerspule und ein Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Durch die Beaufschlagung der
Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse drehwinkelabhängige Signale generieren.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eingerichtet, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise einer Auswerteeinheit, bereitzustellen. Unter„Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden um ein Ausgangsignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Bevorzugt kann die Signalverarbeitung rein analog erfolgen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine
Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos- System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der ArcTan-Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann die gefilterten Signale verstärken. Anschließend können die Ausgangssignale an eine Auswerteeinheit, insbesondere eine von dem
Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Auswerteeinheit, übertragen werden.
Der Schaltungsträger weist mindestens ein weiteres elektronisches Bauelement auf. Insbesondere ist das weitere elektronische Bauelement auf dem
Schaltungsträger angeordnet. Unter einem„weiteren elektronischen Bauteil“ kann ein beliebig ausgestaltetes elektronisches Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, um das Erregersignal und/oder mindestens ein Signal der Empfängerspulen abzutasten. Unter„abzutasten“ kann insbesondere ein Erfassen eines Signals verstanden werden. Das weitere elektronische
Bauelement kann eingerichtet sein eine funktionale Sicherheit des ASIC zu erhöhen. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, mindestens eine von dem ASIC erfasste und/oder bereitgestellte Größe zu plausibilisieren. Unter„plausibilisieren“ kann ein Verifizieren einer erfassten Größe und/oder Vergleichen einer erfassten Größe mit einer Soll-Größe und/oder ein Bestimmen einer Abweichung zwischen einer erfassten Größe mit einer Soll-Größe verstanden werden. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein eine Frequenz und/oder eine Amplitude des
Erregersignals zu überprüfen, beispielsweise ob Erregung mit einer gewünschten Frequenz und Amplitude realisiert ist. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein eine Amplitude eines ersten Empfängerspulensignals zu überprüfen, beispielsweise ob eine Demodulation eines ersten Kanals fehlerfrei funktioniert. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein eine Amplitude eines zweiten Empfängerspulensignals zu überprüfen, beispielsweise ob eine Demodulation eines zweiten Kanals fehlerfrei funktioniert. Das weitere elektronische Bauelement ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu vergleichen. Das weitere elektronische Bauelement kann separat von dem ASIC ausgestaltet sein. Das weitere elektronische Bauelement kann mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einen Micro Controller; einem digitalen Signalprozessor; einem Field
Programmable Gate Array (FPGA). Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um mit einem Taktschema das Erregersignal und/oder das mindestens eine Signal der
Empfängerspulen abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement kann mindestens einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Taktgeber aufweisen. Eine Abtastfrequenz zum Abtasten des Erregersignals und/oder des mindestens einen Signals der Empfängerspulen kann doppelt so hoch sein wie eine
Signalfrequenz des Erregersignals. Um die Rohsignale zu digitalisieren und vollständig rekonstruieren zu können, müsste gemäß dem Nyquist- Kriterium mindestens die doppelte Abtastfrequenz im Vergleich zur Signalfrequenz verwendet werden. Beispielsweise müsste bei einer Signalfrequenz von 3,5 MHz mit mindestens 7 MHz abgetastet werden. Standardmäßig verfügbare
Mikrocontroller unterstützen derart hohe Abtastfrequenzen jedoch nicht.
Erfindungsgemäß kann in dem Taktschema ein Zeitpunkt zum Abtasten jeweils einem lokalen Maximum des Erregersignals entsprechen. Das weitere
elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um Nulldurchgänge des Erregersignals zu bestimmen und aus diesen eine Frequenz des Erregersignals zu bestimmen. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um jeweils eine viertel Periode nach Durchlaufen des Nulldurchgangs, bspw. von minus zu plus, das Erregersignal und/oder das mindestens eine Signal der Empfängerspulen abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um jeweils eine viertel Periode nach Durchlaufen eines n-ten Nulldurchgangs, mit n>l, das Erregersignal und/oder das mindestens eine Signal der Empfängerspulen abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um Zwischenwerte zu interpolieren.
Das weitere elektronische Bauelement ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu vergleichen. Unter„Vergleichen“ kann beispielsweise eine mathematische Operation verstanden werden, insbesondere eine
Bestimmung einer Abweichung zwischen den Signalen. Das weitere
elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um das abgetastete
Erregersignal und/oder das abgetastete mindestens eine Signal der
Empfängerspulen weiterzuverarbeiten bevor das Ausgangssignal zu der
Auswerteeinheit geleitet wird. Das weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs ein weiteres Ausgangssignal zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine Abweichung aufweist. Der induktive Positionssensor kann mindestens ein erstes weiteres elektronisches Bauelement und mindestens ein zweites weiteres elektronisches Bauelement aufweisen. Das erste weitere elektronische
Bauelement und das zweite weitere elektronische Bauelement können getrennt voneinander ausgestaltet sein. Das erste weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um das Erregersignal und/oder das mindestens eine Signal der Empfängerspulen abzutasten. Das erste weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein mindestens ein Ausgangssignal an das zweite weitere elektronische Bauelement bereitzustellen. Das zweite weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um das Erregersignal und/oder das mindestens eine Signal der Empfängerspulen und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu vergleichen. Das weitere elektronische Bauelement kann die Signale des ASICs mit den gemessenen Amplituden vergleichen. Das zweite weitere elektronische Bauelement kann eingerichtet sein, um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs ein weiteres Ausgangssignal zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine Abweichung umfasst und/oder um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs Ausgänge der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu überschreiben und/oder um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs eine Warnung zu erzeugen und an die Auswerteeinheit zu senden. Beispielsweise kann das zweite weitere elektronische Bauelement ein zusätzliches Ausgangssignal erzeugen und bereitstellen, welches beispielsweise eine Binärinformation darstellt, in welche kodiert wird, ob die Ausgangssignale des ASICs um einen vorher spezifizierten Wert von den durch das erste weitere elektronische Bauelement bestimmten Signalen abweicht oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite weitere elektronische Bauelement im Fehlerfall auch die Ausgänge des ASICs überschreiben und die Werte zum Beispiel in einen ungültigen Zustand bringen, beispielsweise beide Pegel gleichzeitig auf high oder gleichzeitig low setzen, sodass die Auswerteeinheit über einen Sensorfehler informiert wird.
Der induktive Positionssensor kann mindestens ein Kontaktelement aufweisen. Der induktive Positionssensor kann mit der Auswerteeinheit mittels des
Kontaktelements verbindbar sein. Das Kontaktelement kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehen aus: mindestens einer Bohrung für Rammkontakte, mindestens ein aufgelöteter Stecker, mindestens ein Kontaktpad. Der induktive Positionssensor kann eine Verpackung aufweisen, insbesondere um den induktiven Positionssensor mit einem Spanschutz zu versehen. Die Verpackung kann mindestens ein Verbindungselement aufweisen. Der induktive
Positionssensor kann mittels des Verbindungselements an einer weiteren Vorrichtung befestigbar sein. Diese kann durch eines oder mehrere der
Verfahren Direct-injection-molding, Transfermolden mit Duroplast, Thermo plastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors ganz oder teilweise umgeben. Sie kann bevorzugt Bohrungen bzw. Aussparungen aufweisen, durch welche der induktive Positionssensor mit einer Schraubverbindung beispielsweise an einem B- Lagerschild der weiteren Vorrichtung befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor auch mit Clips, einer
Klebverbindung oder weiteren Verfahren, beispielsweise am B- Lagerschild, angebracht werden.
In einem weiteren Aspekt wird ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Sensorsystem weist mindestens einen erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor nach einer der oben oder weiter unten Beschriebenen Ausführungsform auf. Dementsprechend kann für
Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des induktiven Positionssensors verwiesen werden. Das Sensorsystem weist mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad auf. Das Sensorsystem weist mindestens eine Auswerteeinheit auf.
Unter einem„System“ kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welches mindestens zwei Komponenten aufweist. Unter einem„Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Das Geberrad kann beispielsweise permanent oder reversibel mit dem rotierenden Elements verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einstückig mit dem rotierenden Element ausgebildet oder in das rotierende Element integriert sein. Das Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen. Unter einem„Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem„Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden werden, insbesondere eine Ausbuchtung,
beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.
Das Geberrad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um je nach seiner Stellung Bereiche einer Empfängerspulenstruktur„abzuschatten“. Dadurch kann eine Kopplung zwischen einer Sendespulenstruktur und den Empfängerspulen dreh winkelabhängig beeinflusst werden. Ein typischer Wertebereich eines
Kopplungsfaktors kann beispielsweise -0,3 bis +0,3 betragen. Unter einem Koppelfaktor kann dabei insbesondere ein Amplitudenverhältnis zwischen einem Empfangssignal und einem Sende- oder Erregersignal verstanden werden. Der Koppelfaktor kann insbesondere sinusförmig mit dem Drehwinkel verlaufen.
Die Spulenanordnung kann das Geberrad oder mindestens ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreissegmentförmig oder kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem
Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer
Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken.
Das Sensorsystem, insbesondere der induktive Positionssensor, kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen zu erfassen. Hierfür weist das
Sensorsystem die Auswerteeinheit auf. Insbesondere kann die Auswerteeinheit mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Insbesondere kann die
Auswerteschaltung eingerichtet sein, die Signale des Positionssensors auszuwerten. Bei der Auswerteschaltung kann es sich beispielsweise um einen Prozessor handeln. Die Auswerteeinheit kann insbesondere getrennt von dem Schaltungsträger ausgestaltet sein und kann mit dem Schaltungsträger über mindestens eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, verbindbar sein. Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor, insbesondere dem ASIC und/oder dem ersten und/oder zweiten weiteren elektronischen Bauelement erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem induktiven Positionssensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine
Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine- Schnittsteile wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Das Geberrad kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Flügel können einen ersten Öffnungswinkel a und die elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel ß aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten
Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven
Positionssensor entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden sein. Das Geberrad kann an dem rotierenden
Element mittels einer Schraub- und/oder Klebeverbindung befestigt sein.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um aus Signalen der Empfängerspulen auf eine Winkelposition F des Geberrads zu schließen. Das Sensorsystem kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Geberrads bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen eine absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer„relativen Winkelposition“ kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden. Insbesondere kann die Auswerteschaltung derart eingerichtet sein, um mindestens einen Quotienten mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition F aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tan(D = sin(D / cos(D verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition F aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke- Transformation verwendet werden.
Das Sensorsystem kann ein einzelnes Geberrad oder auch eine Vielzahl Geberräder umfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem zwei Geberräder umfassen. Insbesondere können die mindestens zwei Geberräder bezüglich der Rotationsachse zueinander versetzt angeordnet sein, also beispielsweise mit einem axialen Versatz. Die mindestens zwei Geberräder können gleiche oder insbesondere auch unterschiedliche Geberradprofile aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines Sensorsystems. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere
Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:
- eine Aufnahme mindestens zweier induktiver Signale mittels mindestens zweier Empfängerspulen; und
- eine Auswertung der induktiven Signale und Ermittlung der
Rotationseigenschaft mittels der induktiven Signale.
Das Verfahren erfolgt unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten
Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorsystems verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Com puter- Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode- Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode- Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder
Computer- Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner
Ausgestaltungen ausführen kann. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das
erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes
Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder
Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere ist es möglich, einen funktional sicheren, insbesondere unter dem Gesichtspunkt von„Automotive safety integrity Level“, induktiven
Positionssensors, welcher zur Regelung einer elektrischen Maschine verwendet werden kann, bereitzustellen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen erlauben eine Erhöhung der funktionalen Sicherheit durch Verlagerung der
Winkelberechnung in eine externe Auswerteeinheit, welche z.B. bereits diversitäre Konzepte zur Digitalisierung des Signals und umfassende
Diagnosefunktionen aufweisen kann. Weiter kann eine Erhöhung der
funktionalen Sicherheit möglich sein, da Signale mit diversitärem Konzept plausibilisiert werden können. Eine Signalplausiblisierung kann mit einem
Standard-Mikrocontroller umsetzbar sein und so nur geringe Zusatzkosten verursachen. Weiter basieren die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren auf robusten Sensorkonzepten. Weiter kann ein einfaches und kostengünstiges Geberrad verwendet werden.
Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren können für jegliche induktive Positionssensoren auf Basis gekoppelter Spulen eingesetzt werden. Das
Messprinzip zeigt weiter keinen Einfluss von Fremdmagnetfeldern,
beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, die in
Sensornähe angeordnet sind. Das Messprinzip benötigt keinen teuren Magneten. Ein geringerer Bauraum im Gegensatz zu bekannten Sensoren ist möglich. Das Messprinzip ist aufgrund einer hohen Trägerfrequenz praktisch nicht
drehzahlbegrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Sensorsystems;
Figur 2 eine schematische Darstellungen eines
Ausführungsbeispiels eines induktiven Positionssensors;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASICs; Figur 5 Signalformen des erfindungsgemäßen Sensorsystems; Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Signalplausiblisierung; Figur 7 Integration eines weiteren elektronischen Bauelements in den induktiven Positionssensors; und
Figur 8 Ausführungsbeispiel des induktiven Positionssensors
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine
Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114 gezeigt. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz im Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer
Rotationseigenschaft einer Nockenwelle eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition der Nockenwelle zu erfassen. Dementsprechend kann es sich bei dem rotierenden Element 114 beispielsweise um einen Welle handeln. Im dargestellten Fall einer permanent erregten Synchronmaschine kann die Welle einen Permanentmagneten 116 tragen. Zylinderförmig um diesen Permanentmagneten 116 kann ein
Statorspulenpaket 118 angeordnet sein. Ein Abtrieb kann in negativer z-Richtung angeordnet sein und ist nicht weiter dargestellt. Auf der dem Abtrieb
entgegengesetzten Seite kann ein B- Lager 120 angeordnet sein, welches die Achse 114 aufnimmt. Das Sensorsystem 110 weist mindestens einen induktiven Positionssensor auf 124. Das B-Lager 120 kann mit einem B-Lagerschild 122 verbunden, welches den induktiven Positionssensor 124 hält. Das Sensorsystem 110 weist mindestens ein mit dem rotierenden Element 114 verbindbares Geberrad 126 auf. Zwischen B-Lager 120 und induktiven Positionssensor 124 kann das Geberrad 126 angeordnet sein, welches mit der Welle verbunden ist und sich mit dieser mit dreht. Das Sensorsystem weist mindestens eine
Auswerteeinheit 130 auf. Beispielsweise über ein Kabel 128 kann der induktive Positionssensor 124 mit der Auswerteeinheit 130 verbunden sein. Die
Auswerteeinheit 130 kann eine Spannungsversorgung des induktiven
Positionssensors 124 bereitstellen. Die Auswerteeinheit 130 kann
Ausgangssignale des induktiven Positionssensors 124 empfangen und aus diesen eine Rotorposition berechnen. Das Sensorsystem 110 kann, neben den in Figur 1 dargestellten Elementen, weiterhin ein oder mehrere zusätzliche Elemente umfassen, beispielsweise ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte weitere Funktionselemente, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten, Heizelemente oder andere Elemente.
Eine Detailansicht des induktiven Positionssensors 124 zeigt Figur 2. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens einen Schaltungsträger 132. Der Schaltungsträger 132 kann beispielsweise eine Leiterplatte aufweisen, welche im Wesentlichen kreisringförmig das rotierende Element 114 umläuft und dabei bevorzugt einen Winkelbereich von 360° abdeckt. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens eine, hier nicht dargestellte, Spulenanordnung 134, welche auf dem Schaltungsträger 132 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 134 umfasst mindestens eine Erregerspule 136 und mindestens zwei Empfängerspulen 138, siehe beispielsweise Figur 4. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 140, welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal für die Erregerspule 136 bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 ist eingerichtet, um von den Empfängerspulen 138 erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise der Auswerteeinheit 130, bereitzustellen. Der induktive
Positionssensor 124 weist mindestens ein Kontaktelement 142 auf, an welchem das Kabel 128 befestigt werden kann. Das Kontaktelement 142 kann eine Bohrung für Rammkontakte, ein aufgelöteter Stecker oder Pads sein, mit denen das Kabel 128 mit dem Schaltungsträger 132 durch einen Lötprozess verbunden werden kann.
Der Schaltungsträger 132 weist mindestens ein weiteres elektronisches
Bauelement 144 auf, welches eingerichtet ist, um das Erregersignal und/oder mindestens ein Signal der Empfängerspulen 138 abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement 144 ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 140 zu vergleichen. Das Kabel 128 kann zur
Spannungsversorgung des ASICs 140 und des weiteren elektronischen
Bauelements 144 sowie dem Übertragen der mindestens zwei demodulierten Empfängerspulensignale zu der Auswerteeinheit 130 dienen. Der induktive Positionssensor 124 kann eine Verpackung 146 aufweisen. Die Verpackung 146 kann erlauben den induktiven Positionssensor 124 mit einem Spanschutz zu versehen und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Verpackung 146 kann durch eines oder mehrere der
Verfahren Direct-injection-molding, Transfermolden mit Duroplast, Thermo plastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung 146 kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors 124 ganz oder teilweise umgeben. Die Verpackung 146 kann mindestens ein Verbindungselement 148, bevorzugt Bohrungen und/oder Aussparungen, aufweisen durch die der induktive Positionssensor 124, beispielsweise mit einer Schraubverbindung 150 am B- Lagerschild 122 befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor 124 auch mit Clips, einer Klebverbindung oder weiteren Verfahren am B-Lagerschild 122 angebracht werden.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Geberrads 126 ist in Figur 3 dargestellt. Das Geberrad 126 kann rotations-symmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad 126 kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln 152 mit einem ersten Öffnungswinkel a und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen 154 mit einem zweiten Öffnungswinkel ß aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich d des induktiven Positionssensors 124 entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden groß sein. Bevorzugt kann eine Ausgestaltung mit a = ß sein, wobei a dem halben Winkelmessbereich d entspricht. In einer weiteren Ausführungsform kann a auch kleiner sein, so lange die Bedingung a + ß = d erfüllt ist. Der
Winkelmessbereich kann mit einer Polpaarzahl der Synchronmaschine p gemäß ö=360°/p korrelieren und für die Anzahl n der elektrisch leitfähigen Flügel 152 kann gelten: n = p = 360°/d. Die Befestigung des Geberrads 126 an dem rotierenden Element 114 kann über eine Schraub- und/oder Klebverbindung und/oder mit einem Längspressverfahren erfolgen.
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASIC 140. Beispielsweise kann das ASIC 140 genau an eine Erregerspule 136 und mindestens zwei Empfängerspulen 138 angeschlossen sein. Mit einem nicht näher dargestellten Block 156 kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal 158
bereitgestellt werden, welches die Erregerspule 136 speist. Beispielsweise kann es sich bei dem Block 156 um eine Oszillatorschaltung handeln, welche einen LC Oszillator treibt, bei welchen die Erregerspule 136 sowie mindestens ein nicht dargestellter Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Die Amplitude des Erregersignals 158 kann im Bereich von 0,1 V und 10 V, bevorzugt 5 V betragen, bei Frequenzen im Bereich von 1 MHz und 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung 160 aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale 159, 161 1 der Empfängerspulen 138 zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal 158 umfassen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann mindestens einen Tiefpassfilter 162 aufweisen. Der Tiefpassfilter 162 kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen.
Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 zunächst die Signale 159, 161 der Empfängerspulen 138 demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses 162 filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann weiter mindestens einen Verstärker 164 aufweisen. Der Verstärker 164 kann die gefilterten Signale verstärken. Nach der optionalen Verstärkung in den Verstärkern 164 können die Ausgangssignale 166, 168 direkt über das Kabel 128 zu der Auswerteeinheit 130 übertragen werden.
Beispielhafte Signalverläufe als Funktion des Drehwinkels für eine kontinuierliche Drehbewegung sind in Figur 5 dargestellt. Bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Empfängerspulen 138 sowie des Geberrads 126 ergeben sich als Funktion des Drehwinkels ein demoduliertes sinusförmiges Signal 168 sowie ein demoduliertes cosinusförmiges Signal 166.
Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, mindestens eine von dem ASIC 140 erfasste und/oder bereitgestellte Größe zu
plausibilisieren. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein eine Frequenz und/oder eine Amplitude des Erregersignals 158 zu überprüfen, beispielsweise ob Erregung mit einer gewünschten Frequenz und Amplitude realisiert ist. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein eine Amplitude eines ersten Empfängerspulensignals 159 zu überprüfen, beispielsweise ob eine Demodulation eines ersten Kanals fehlerfrei funktioniert. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein eine Amplitude eines zweiten Empfängerspulensignals 161 zu überprüfen, beispielsweise ob eine Demodulation eines zweiten Kanals fehlerfrei funktioniert. Das weitere elektronische Bauelement 144 ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 130 zu vergleichen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann separat von dem ASIC 130 ausgestaltet sein. Das weitere
elektronische Bauelement 144 kann mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einen Micro Controller; einem digitalen Signalprozessor; einem Field Programmable Gate Array (FPGA).
Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um mit einem Taktschema das Erregersignal 158 und/oder das mindestens eine Signal 159,
161 der Empfängerspulen 138 abzutasten. Das weitere elektronische
Bauelement 144 kann mindestens einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Taktgeber aufweisen. Eine Abtastfrequenz zum Abtasten des Erregersignals 158 und/oder des mindestens einen Signals 159, 161 der Empfängerspulen 138 kann doppelt so hoch sein wie eine Signalfrequenz des Erregersignals 158. Um die Rohsignale zu digitalisieren und vollständig rekonstruieren zu können, müsste gemäß dem Nyquist- Kriterium mindestens die doppelte Abtastfrequenz im Vergleich zur Signalfrequenz verwendet werden. Beispielsweise müsste bei einer Signalfrequenz von 3,5 MHz mit mindestens 7 MHz abgetastet werden.
Standardmäßig verfügbare Mikrocontroller unterstützen derart hohe Abtast frequenzen jedoch nicht. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann für eine Unterabtastung eingerichtet sein. Eine derartige Abtastung ist in Figur 6 dargestellt. In dem Taktschema kann ein Zeitpunkt 170 zum Abtasten jeweils einem lokalen Maximum des Erregersignals 158 entsprechen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um Nulldurchgänge des Erregersignals 158 zu bestimmen und aus diesen eine Frequenz des
Erregersignals 158 zu bestimmen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um jeweils eine viertel Periode nach Durchlaufen des Nulldurchgangs, bspw. von minus zu plus, das Erregersignal 158 und/oder das mindestens eine Signal 159, 161 der Empfängerspulen 138 abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um jeweils eine viertel Periode nach Durchlaufen eines n-ten Nulldurchgangs, mit n>l, das Erregersignal 158 und/oder das mindestens eine Signal 159, 161 der Empfängerspulen 138 abzutasten. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um Zwischenwerte zu interpolieren. Figur 7 zeigt die Integration des weiteren elektronischen Bauelements 144 in den induktiven Positionssensor 124. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann
elektronisch mit der Erregerspule 136 und/oder mindestens einer der zwei Empfängerspulen 138 verbunden sein.
Das weitere elektronische Bauelement 144 ist eingerichtet, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 130 zu vergleichen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um das abgetastete Erregersignal 158 und/oder das abgetastete mindestens eine Signal 159, 161 der Empfängerspulen 138 weiterzuverarbeiten. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann
eingerichtet sein, um mindestens ein Ausgangssignal 172 zu erzeugen und an die Auswerteeinheit 130 zu übertragen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs das weiteres Ausgangssignal 172 zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine Abweichung aufweist.
Der induktive Positionssensor 124 kann ein erstes weiteres elektronisches Bauelement 174 und ein zweites weiteres elektronisches Bauelement 176 aufweisen. Das erste weitere elektronische Bauelement 174 und das zweite weitere elektronische Bauelement 176 können getrennt voneinander ausgestaltet sein. Das erste weitere elektronische Bauelement 174 kann eingerichtet sein, um das Erregersignal 158 und/oder das mindestens eine Signal 159, 161 der Empfängerspulen 138 abzutasten. Das erste weitere elektronische Bauelement 174 kann eingerichtet sein das mindestens eine Ausgangssignal 172 an das zweite weitere elektronische Bauelement 176 bereitzustellen. Das zweite weitere elektronische Bauelement 176 kann eingerichtet sein, um das Erregersignal 158 und/oder das mindestens ein Signal 159, 161 der Empfängerspulen 138 und die Ausgangssignale 166, 168 der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 130 zu vergleichen. Das weitere elektronische Bauelement 144 kann die Signale des ASICs 130 mit den gemessenen Amplituden vergleichen. Das zweite weitere elektronische Bauelement 144 kann eingerichtet sein, um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs ein weiteres Ausgangssignal 178 zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine Abweichung umfasst und/oder um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs Ausgänge des ASICs zu überschreiben und/oder um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs eine Warnung zu erzeugen und an die Auswerteeinheit 130 zu senden.
Beispielsweise kann das zweite weitere elektronische Bauelement 176 das zusätzliche Ausgangssignal 178 erzeugen und bereitstellen, welches beispielsweise eine Binärinformation darstellt, in welche kodiert wird, ob die Ausgangssignale des ASICs 130 um einen vorher spezifizierten Wert von den durch das erste weitere elektronische Bauelement 174 bestimmten Signalen abweicht oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite weitere elektronische Bauelement 176 im Fehlerfall auch die Ausgänge des ASICs 130 überschreiben und die Werte zum Beispiel in einen ungültigen Zustand bringen, beispielsweise beide Pegel gleichzeitig auf high oder gleichzeitig low setzen, sodass die Auswerteeinheit 130 über einen Sensorfehler informiert wird.

Claims

Ansprüche
1. Induktiver Positionssensor (124), insbesondere zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), umfassend:
- mindestens einen Schaltungsträger (132);
- mindestens eine Spulenanordnung (134), welche auf dem Schaltungsträger (132) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (134) mindestens eine Erregerspule (136) und mindestens zwei Empfängerspulen (138) umfasst;
- mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (140), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal (158) für die Erregerspule (136) bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen (138) erzeugte Signale (159, 161) zu verarbeiten und als Ausgangssignale (166, 168) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaltungsträger (132) mindestens ein weiteres elektronisches
Bauelement (144) aufweist, welches eingerichtet ist, um das Erregersignal (158) und/oder mindestens ein Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) abzutasten, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um das mindestens eine abgetastete Signal und die Ausgangssignale (166, 168) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu vergleichen.
2. Induktiver Positionssensor (124) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um mit einem Taktschema das Erregersignal (158) und/oder das mindestens eine Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) abzutasten, wobei in dem Taktschema ein Zeitpunkt zum Abtasten jeweils einem lokalen Maxima des Erregersignals (158) entspricht.
3. Induktiver Positionssensor (124) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um Nulldurchgänge des Erregersignals (158) zu bestimmen und aus diesen eine Frequenz des Erregersignals (158) zu bestimmen, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um jeweils eine viertel Periode nach Durchlaufen des Nulldurchgangs das Erregersignal (158) und/oder das mindestens eine Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) abzutasten.
4. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) eingerichtet ist, um abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs ein weiteres Ausgangssignal (172) zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine
Abweichung aufweist.
5. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der induktive Positionssensor (124) mindestens ein erstes weiteres elektronisches Bauelement (144, 174) und mindestens ein zweites weiteres elektronisches Bauelement (144, 176) aufweist, wobei das erste weitere elektronische Bauelement (144, 174) eingerichtet ist, um das Erregersignal (158) und/oder das mindestens eine Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) abzutasten, wobei das zweite weitere elektronische Bauelement (144, 176) eingerichtet ist, um das Erregersignal (158) und/oder das mindestens eine Signal (159, 161) der Empfängerspulen (138) und die Ausgangssignale (166, 168) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu vergleichen.
6. Induktiver Positionssensor (124) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite weitere elektronische Bauelement (144, 176) eingerichtet ist, um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs ein weiteres Ausgangssignal (178) zu erzeugen, welches mindestens eine Information über eine
Abweichung umfasst und/oder um abhängig von dem Ergebnis des
Vergleichs Ausgänge der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu überschreiben und/oder um abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs eine Warnung zu erzeugen und/oder an eine Auswerteeinheit (130) zu senden.
7. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einen Micro Controller; einem digitalen Signalprozessor; einem Field Programmable Gate Array (FPGA).
8. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere elektronische Bauelement (144) mindestens einen Analog- Digital-Wandler und/oder einen Taktgeber aufweist.
9. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) mindestens eine Demodulationsvorrichtung (160) aufweist, welche eingerichtet ist, um die Signale (159, 161) der Empfängerspulen (138) zu demodulieren, wobei das Demodulieren ein Multiplizieren mit dem Erregersignal (158) umfasst.
10. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) mindestens einen Tiefpassfilter (162) aufweist, wobei der Tiefpassfilter (162) eine
Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz aufweist.
11. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal (158) ein im wesentlichen sinusförmiges
Erregersignal ist, wobei das Erregersignal (158) eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V aufweist, wobei das Erregersignal (158) eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz aufweist.
12. Induktiver Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der induktive Positionssensor (124) ein induktiver Rotorlagesensor ist.
13. Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), wobei das Sensorsystem (110) mindestens einen induktiven Positionssensor (124) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei das Sensorsystem (110) mindestens ein mit dem rotierenden Element (114) verbindbares Geberrad (126) aufweist, wobei das Sensorsystem (110) mindestens eine Auswerteeinheit (130) aufweist.
14. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines Sensorsystems (110) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorsystem betreffenden, Ansprüche umfasst, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst:
Aufnehmen mindestens zweier induktiver Signale mittels der
Empfängerspulen (138);
Auswertung der induktiven Signale und Ermittlung der
Rotationseigenschaft mittels der induktiven Signale.
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