WO2021151417A1 - Kupplungsaktor, erfassungssystem und verfahren zur erfassung einer winkelposition eines drehbauteils - Google Patents

Kupplungsaktor, erfassungssystem und verfahren zur erfassung einer winkelposition eines drehbauteils Download PDF

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Definitions

  • Clutch actuator detection system and method for detecting an angular position of a rotating component
  • the invention relates to a method for detecting an angular position of a rotary component according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a detection system and a clutch actuator.
  • a method for detecting an angular position of a rotating component is known from WO 2018/219388 A1, for example. This describes a method for detecting an angular position of a rotary component that is rotatable about an axis of rotation, in which the angular position of the rotary component is picked up by a sensor system arranged radially at a distance from the axis of rotation.
  • a magnetic ring that is fixedly and concentrically arranged on the rotating component causes a magnetic field that changes with respect to the sensor system and is detected by the sensor system, with a signal picked up by the sensor system being evaluated with regard to the angular position.
  • the signal picked up by the sensor system is evaluated with regard to amplitude information of the magnetic field and a correction parameter is determined from the amplitude information, by means of which an angle error in the angular position obtained from the signal of the sensor system is determined. The angle error is then used to correct the angular position determined from the signal emitted by the sensor system.
  • the object of the present invention is to detect an angular position more precisely and more quickly. It should be possible to determine the angular position with as little calculation effort as possible.
  • At least one of these objects is achieved by a method having the features according to claim 1.
  • the angular position can be detected more easily and quickly with a reduced angular error.
  • the angle error resulting from the orthogonal error can be compensated.
  • the sensor unit and the rotating component can be arranged in a vehicle.
  • the rotating component and the rotating element can be arranged so as to be concentrically rotatable.
  • the sensor unit can be designed as an angle sensor.
  • the sensor element can be a Hall sensor.
  • the rotating element can be a magnetic ring.
  • the rotating element can be a permanent magnet.
  • the rotating element can be magnetized diametrically.
  • the first and / or second sensor signal can be a periodic signal.
  • the first sensor signal can be a cosine signal and the second sensor signal can be a sine signal.
  • the orthogonal error can be suitably converted into an amplitude difference of the amplitudes a, b of the sensor signals in a correction step preceding the evaluation step using the following coordinate transformation of the first and second sensor signals S 1 , S 2 A phase shift ⁇ 0 of the two sensor signals can be taken into account.
  • the coordinate transformation can take place in a conversion step assigned to the correction step.
  • the coordinate transformation there is preferably a coordinate rotation by 45 °, correspondingly with the rotation matrix which is the coordinate rotation that results in the converted first sensor signal and the converted second sensor signal can be calculated as follows can
  • the converted sensor signals can also be calculated as follows, omitting the prefactor, by subtracting and adding the first and second sensor signals
  • the conversion step can be preceded by a normalization step which carries out an offset correction and / or an amplitude correction of the unprocessed first and second sensor signals output by the sensor unit and then transfers the first and second sensor signals to the conversion step in a corrected manner.
  • the converted first and second sensor signals can be adjusted for the amplitude difference and as an adjusted first sensor signal and as an adjusted second sensor signal passed to the evaluation step.
  • the amplitude of the converted first sensor signal according to and the amplitude of the converted second sensor signal to be calculated.
  • the amplitude difference ⁇ can then be calculated as follows
  • the amplitude difference can then be adjusted by adjusting the amplitude of the converted second sensor signal by using balanced and the converted first and second sensor signal as an adjusted first sensor signal and dem as an adjusted second sensor signal Be transferred to the evaluation step.
  • the angular position can be determined using an atan2 function with the adjusted first and second sensor signals be calculated.
  • the maximum angle error resulting from the amplitude difference ⁇ is defined as follows
  • the offset angle ⁇ can be calculated with the amplitude difference ⁇ by transforming (3) as follows
  • the evaluation step can include a phase correction step in which the common phase shift ⁇ 0 of the first and second sensor signals is calculated and the angular position ⁇ is corrected for this phase shift and output.
  • the phase shift ⁇ 0 can be determined as follows and as a phase correction can be taken into account via the following relationship
  • the phase correction step is preferably carried out after using the atan2 function.
  • a detection system for detecting an angular position of a rotating component by means of a Method solved with at least one of the features indicated above.
  • the detection system comprises an evaluation unit and a sensor unit, which has a fixed sensor element and a rotary element rotatable relative to this and together with the rotary component.
  • a clutch actuator for a clutch for clutch actuation having such a detection system, is proposed to solve at least one of the aforementioned objects.
  • the clutch actuator can actuate a clutch designed as an E-clutch, preferably in a vehicle.
  • the clutch actuator can be a modular clutch actuator, also called Modular Clutch Actuator or MCA for short.
  • MCA Modular Clutch Actuator
  • This can comprise a rotor and a spindle.
  • the rotor can perform a rotary movement, which is converted into a linear movement of the spindle via a planetary roller screw drive, abbreviated as PWG.
  • Figure 1 A spatial cross section through a clutch actuator with a sensor unit in a special embodiment of the invention.
  • Figure 2 A respective course of the first and second sensor signal depending on the angular position.
  • FIG. 3a A curve graph of the first and second sensor signal.
  • FIG. 3b A curve graph of the respectively converted first and second sensor signals.
  • FIG. 4 a sequence of a method in a special embodiment of the invention.
  • FIG. 5 A respective curve graph of the sensor signals after the individual steps of the method according to FIG. 4.
  • FIG. 6 A respective angle error curve of the sensor signals after the individual steps of the method according to FIG. 4.
  • FIG. 7 A dependence of the maximum angle error on the orthogonal error when using the method in a special embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional cross section through a clutch actuator 10 with a sensor unit 12 in a special embodiment of the invention.
  • the clutch actuator 10 is a modular clutch actuator, a so-called MCA, comprising a spindle 14 and an electric motor 16 with a rotatable rotor 18 electromechanically driven rotor 18 moves.
  • the sensor unit 12 is arranged to detect an angular position of the rotor 18 and has a rotary element 22, which is designed as a magnet ring 26 that is non-rotatably connected to the rotary component 24 designed as the rotor 18.
  • the ring magnet 26 is in particular a permanent magnet and is diametrically magnetized.
  • the sensor unit 12 also has a sensor element 28 which is designed as a magnetic sensor, in particular as a Hall sensor.
  • the sensor element 28 is attached axially to the rotary element 22 at a distance on a circuit board 30 and enables detection of the magnetic field emanating from the rotary element 22.
  • the effect of the magnetic field emanating from the rotary element 22 on the sensor element 28 enables the angular position of the rotary component 24 to be detected, since the diametrical magnetization of the magnetic ring 26 changes the magnetic field as a function of the angular position of the rotor 18.
  • a respective course of the first and second sensor signals S 1 , S 2 is shown as a function of the angular position ⁇ .
  • the first sensor signal S 1 and the second sensor signal 52 are each a periodic signal.
  • the first sensor signal S 1 is a cosine signal and the second sensor signal S 2 is a sine signal which, however, has an orthogonal error compared to the cosine signal, which is expressed by the offset angle ⁇ .
  • An exact determination of the angular position ⁇ based on the first and second sensor signals S 1 , S 2 via a The atan2 function requires both sensor signals to be orthogonality. If a deviation is not taken into account, the determined angular position can be exposed to an angular error dependent on the orthogonal error.
  • FIG. 3a shows a curve graph of the first and second sensor signals.
  • the first sensor signal is plotted on the x-axis and the second sensor signal on the y-axis. If both sensor signals were ideally orthogonal to one another, a circular curve graph would result. Due to the orthogonal error, the curve graph corresponding to the first and second sensor signals deviates therefrom and can be described by an ellipse with a main axis extending along an angle of 45 °.
  • the orthogonal error can be converted in a conversion step via a coordinate transformation of the first and second sensor signals into an amplitude difference of the amplitudes of the sensor signals according to (3) and output as converted sensor signals.
  • FIG. 3b A curve graph of the respectively converted first and second sensor signals is shown in FIG. 3b.
  • the coordinate transformation takes place through a coordinate rotation by 45 °, corresponding to the rotation matrix according to (4). This results in an ellipse rotated by 45 ° with respect to the one from FIG. 3a.
  • the amplitudes of the converted sensor signals can thus be further evaluated by determining an amplitude difference according to (9).
  • FIG. 4 shows a sequence of a method 100 in a special embodiment of the invention.
  • the method 100 detects an angular position a of a rotary component rotatable about an axis of rotation via a sensor unit 12, which is assigned a first detection position that is dependent on the angular position a unprocessed first sensor signal and an unprocessed second sensor signal associated with a second acquisition position lying about the axis of rotation perpendicular to the first acquisition position outputs to an evaluation unit 102.
  • the evaluation unit 102 calculates from the unprocessed first and second sensor signals the angular position ⁇ over several steps.
  • FIG. 5 shows a respective curve graph of the sensor signals that are output after the individual steps of this method
  • FIG. 6 shows a respective angle error profile of the angle error ⁇ of the sensor signals that are output after the corresponding steps of this method. Unless otherwise stated, the following explanation relates to the method according to FIG. 4, but expressly refers to FIG. 5 and FIG. 6 in places.
  • the unprocessed sensor signal Sa in FIG. 5 causes the angle error ⁇ a shown in FIG. 6.
  • the angle error ⁇ a reaches large values which make a detection of the angular position unreliable if it is not taken into account.
  • the angle error ⁇ can be greatly reduced by the following further steps of the method.
  • the unprocessed first and second sensor signal is first transferred to a normalization step 104, which includes an offset correction 104.1 and an amplitude correction 104.2 of the unprocessed first and second sensor signals carries out and outputs this as first and second sensor signals S 1 , S 2, respectively.
  • the associated sensor signal Sb after the normalization step is shown in FIG. 5 and is subject to a reduced angle error with regard to FIG its amplitude by more than 50% compared to the amplitude of the angular error was reduced.
  • the first and second sensor signals S 1 , S 2 are output to a subsequent correction step 106, which comprises a conversion step 108 and a subsequent calculation step 110.
  • the first and second sensor signals S 1 , S 2 are converted in the conversion step 108 by a coordinate transformation 108.1 and thereby the orthogonal error of the first and second sensor signals S 1 , S 2 is converted into an amplitude difference of the amplitudes of the sensor signals via the coordinate transformation according to (3) . It will a phase shift of the two sensor signals is also taken into account.
  • the coordinate transformation 108.1 takes place by a coordinate rotation by 45 °, with the rotation matrix according to (4).
  • the corresponding sensor signal Sc in FIG. 5 is illustrated as an ellipse rotated by 45 °.
  • the resulting angle error in Figure 6 is compared to the Angular error offset by 45 °.
  • the respective converted first and second sensor signals can be calculated using (5) from the first and second sensor signals S 1 , S 2 . Since the converted first and second sensor signals in an evaluation step 112 following the correction step 106 for calculating the angular position ⁇ of an atan2 function as arguments, the converted sensor signals can can also be calculated omitting the prefactor according to (6).
  • a calculation step 110 assigned to the correction step 106 and following the conversion step 108 the amplitude of the converted first sensor signal according to (7) and the amplitude of the converted second sensor signal taken into account according to (8).
  • the amplitude difference ⁇ is determined via (9) and in the calculation step 110 for adapting the amplitude of the converted second sensor signal used according to (10).
  • the converted first and second sensor signals is subsequently used as the adjusted first sensor signal and as an adjusted second sensor signal passed to the evaluation step 112.
  • the adjusted sensor signal Sd in FIG. 5 corresponds to a circle.
  • the associated angle error shown in FIG. 6 is constant.
  • the angular position ⁇ * is determined using an atan2 function with the adjusted first and second sensor signals calculated.
  • the evaluation step 112 includes a phase correction step 114, in which the phase shift is compensated for by a phase correction according to (15).
  • the angular position ⁇ is then output for further processing.
  • the angle error in Figure 6 is reduced to a maximum.
  • FIG. 7 there is a dependency of the maximum angle error of the orthogonal error when applying the method in a special embodiment of the invention.
  • the orthogonal error is expressed in terms of the offset angle Y.
  • the maximum angle error is all the more proportional to that Offset angle ⁇ .
  • the family of curves shows the influence of noise and harmonic interference on the sensor signals.
  • the curve Ka corresponds to a sensor signal influenced by harmonic disturbances, the curve Kb to a sensor signal influenced by noise and the curve Kc to a sensor signal influenced by both disturbance variables. Even with an offset angle ⁇ of 20 °, the maximum angle error can be kept low by the method.
  • phase correction step 114 phase correction step ⁇ angular position ⁇ 0 phase shift phase correction angle error maximum angle error ⁇ amplitude difference

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Erfassung einer Winkelposition (a) eines um eine Drehachse drehbaren Drehbauteils (24), sowie ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Winkelposition (a) eines um eine Drehachse drehbaren Drehbauteils (24) durch ein derartiges Verfahren und einen Kupplungsaktor (10) mit einem derartigen Erfassungssystem.

Description

Kupplungsaktor, Erfassungssystem und Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils
Beschreibungseinleitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Erfassungssystem und einen Kupplungsaktor.
Ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils ist beispielsweise aus WO 2018/219388 A1 bekannt. Darin wird ein Verfahren zur Erfassung einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Drehbauteils beschrieben, bei welchem die Winkelposition des Drehbauteils von einer radial beabstandet zur Drehachse angeordneten Sensorik abgenommen wird. Ein fest und konzentrisch an dem sich drehenden Bauteil angeordneter Magnetring bewirkt ein sich gegenüber der Sensorik änderndes Magnetfeld, das von der Sensorik detektiert wird, wobei ein von der Sensorik abgenommenes Signal hinsichtlich der Winkelposition ausgewertet wird. Das von der Sensorik abgenommene Signal wird hinsichtlich einer Amplitudeninformation des Magnetfeldes ausgewertet und aus der Amplitudeninformation ein Korrekturparameter ermittelt, mittels welchem ein Winkelfehler der aus dem Signal der Sensorik abgenommenen Winkelposition bestimmt wird. Der Winkelfehler wird dann zur Korrektur der aus dem von der Sensorik abgegebenen Signal ermittelten Winkelposition verwendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Winkelposition genauer und schneller zu erfassen. Die Winkelposition soll mit möglichst wenig Berechnungsaufwand ermittelt werden können.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Winkelposition einfacher und schneller mit verringertem Winkelfehler erfasst werden. Der durch den orthogonalen Fehler entstehende Winkelfehler kann ausgeglichen werden.
Die Sensoreinheit und das Drehbauteil können in einem Fahrzeug angeordnet sein. Das Drehbauteil und das Drehelement können konzentrisch drehbar angeordnet sein. Die Sensoreinheit kann als Winkelsensor ausgeführt sein. Das Sensorelement kann ein Hallsensor sein.
Das Drehelement kann ein Magnetring sein. Das Drehelement kann ein Permanentmagnet sein. Das Drehelement kann diametral magnetisiert sein.
Das erste und/oder zweite Sensorsignal kann ein periodisches Signal sein. Das erste Sensorsignal kann ein Kosinussignal und das zweite Sensorsignal ein Sinussignal sein.
Ein sich auf die Winkelposition α auswirkender orthogonaler Fehler zwischen dem ersten Sensorsignal S1 und dem zweiten Sensorsignal S2 kann über den Versatzwinkel φ wie folgt beschrieben werden
Figure imgf000004_0001
In Kenntnis des Versatzwinkel φ ließe sich ein um den orthogonalen Fehler bereinigtes zweites Sensorsignal
Figure imgf000004_0004
nach folgender Beziehung berechnen
Figure imgf000004_0002
Die Berechnung des hierfür vorausgehend zu ermittelnden Versatzwinkels mit herkömmlichen Verfahren ist rechenaufwendig, zeitaufwendig und zur Durchführung während eines Betriebs der Sensoreinheit unwirtschaftlich.
Anstelle der Ermittlung des Versatzwinkels kann der orthogonale Fehler in einem dem Auswerteschritt vorgelagerten Korrekturschritt über die folgende Koordinatentransformation des ersten und zweiten Sensorsignals S1, S2 in einen Amplitudenunterschied der Amplituden a, b der Sensorsignale geeignet umgeformt werden
Figure imgf000004_0003
Eine Phasenverschiebung α0 der beiden Sensorsignale kann dabei berücksichtigt werden.
Die Koordinatentransformation kann in einem dem Korrekturschritt zugeordneten Umwandlungsschritt erfolgen. Bevorzugt erfolgt bei der Koordinatentransformation eine Koordinatendrehung um 45°, entsprechend
Figure imgf000005_0004
mit der Drehmatrix
Figure imgf000005_0001
womit die Koordinatendrehung, die zu dem umgewandelten ersten Sensorsignal
Figure imgf000005_0005
und dem umgewandelten zweiten Sensorsignal führt, wie folgt berechnet werden
Figure imgf000005_0007
kann
Figure imgf000005_0002
Werden die umgewandelten Sensorsignale
Figure imgf000005_0006
in einem nachfolgenden Auswerteschritt zur Berechnung der Winkelposition α einer atan2-Funktion als Argumente übergeben, können die umgewandelten Sensorsignale auch unter Auslassung des Vorfaktors über eine Subtraktion und Addition des ersten und zweiten Sensorsignals wie folgt berechnet werden
Figure imgf000005_0003
Dem Umwandlungsschritt kann ein Normierungsschritt vorgelagert sein, der eine Offsetkorrektur und/oder eine Amplitudenkorrektur des von der Sensoreinheit ausgegebenen, unbearbeiteten ersten und zweiten Sensorsignals durchführt und das erste und zweite Sensorsignal anschließend korrigiert an den Umwandlungsschritt übergibt. ln einem dem Korrekturschritt zugeordneten und dem Umwandlungsschritt nachfolgenden Berechnungsschritt können das umgewandelte erste und zweite Sensorsignal um den Amplitudenunterschied bereinigt und als bereinigtes erstes Sensorsignal und als bereinigtes zweites Sensorsignal
Figure imgf000006_0005
dem Auswerteschritt übergeben werden. Dabei kann die Amplitude
Figure imgf000006_0013
des umgewandelten ersten Sensorsignals
Figure imgf000006_0006
gemäß
Figure imgf000006_0001
und die Amplitude
Figure imgf000006_0007
des umgewandelten zweiten Sensorsignals
Figure imgf000006_0008
nach
Figure imgf000006_0002
berechnet werden. Anschließend kann der Amplitudenunterschied γ wie folgt berechnet werden
Figure imgf000006_0003
Anschließend kann der Amplitudenunterschied über die Anpassung der Amplitude des umgewandelten zweiten Sensorsignals
Figure imgf000006_0009
durch Anwendung von
Figure imgf000006_0004
ausgeglichen und das umgewandelte erste und zweite Sensorsignal als bereinigtes erstes Sensorsignal
Figure imgf000006_0010
und als bereinigtes zweites Sensorsignal dem
Figure imgf000006_0011
Auswerteschritt übergeben werden.
In dem Auswerteschritt kann die Winkelposition über eine atan2-Funktion mit dem bereinigten ersten und zweiten Sensorsignal
Figure imgf000006_0012
berechnet werden.
Dabei ist der durch den Amplitudenunterschied γ entstehende maximale Winkelfehler wie folgt definiert
Figure imgf000007_0001
Der Versatzwinkel φ kann mit dem Amplitudenunterschied γ durch Umformung von (3) wie folgt berechnet werden
Figure imgf000007_0002
Damit kann der durch den orthogonalen Fehler, entsprechend dem Versatzwinkel φ entstehende maximale Winkelfehler
Figure imgf000007_0006
wie folgt berechnet werden
Figure imgf000007_0003
Der Auswerteschritt kann einen Phasenkorrekturschritt umfassen, bei dem die gemeinsame Phasenverschiebung α0 des ersten und zweiten Sensorsignals berechnet und die Winkelposition α um diese Phasenverschiebung bereinigt und ausgegeben wird. Die Phasenverschiebung α0 kann wie folgt ermittelt
Figure imgf000007_0004
und als Phasenkorrektur
Figure imgf000007_0007
über folgenden Zusammenhang berücksichtigt werden
Figure imgf000007_0005
Der Phasenkorrekturschritt erfolgt bevorzugt nach Anwendung der atan2-Funktion.
Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben ein Erfassungssystem zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils durch ein Verfahren mit wenigstens einem der zuvor aufgezeigten Merkmale gelöst. Das Erfassungssystem umfasst eine Auswerteeinheit und eine Sensoreinheit, die ein festgelegtes Sensorelement und ein gegenüber diesem und gemeinsam mit dem Drehbauteil drehbares Drehelement aufweist. Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben ein Kupplungsaktor für eine Kupplung zur Kupplungsbetätigung, aufweisend ein derartiges Erfassungssystem vorgeschlagen. Der Kupplungsaktor kann eine als E- Clutch ausgeführte Kupplung, bevorzugt in einem Fahrzeug, betätigen. Der Kupplungsaktor kann ein modularer Kupplungsaktor, auch Modular Clutch Actuator oder abgekürzt MCA genannt, sein. Dieser kann einen Rotor und eine Spindel umfassen. Der Rotor kann eine Drehbewegung ausführen, die über einen Planeten- Wälzgewindetrieb, abgekürzt PWG in eine lineare Bewegung der Spindel umgesetzt wird. Die lineare Bewegung der Spindel kann die Kupplung betätigen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 : Einen räumlichen Querschnitt durch einen Kupplungsaktor mit einer Sensoreinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2: Einen jeweiligen Verlauf des ersten und zweiten Sensorsignals abhängig von der Winkelposition.
Figur 3a: Einen Kurvengraphen des ersten und zweiten Sensorsignals. Figur 3b: Einen Kurvengraphen des jeweils umgewandelten ersten und zweiten Sensorsignals.
Figur 4: Einen Ablauf eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5: Einen jeweiligen Kurvengraphen der Sensorsignale nach den einzelnen Schritten des Verfahrens nach Figur 4. Figur 6: Einen jeweiligen Winkelfehlerverlauf der Sensorsignale nach den einzelnen Schritten des Verfahrens nach Figur 4.
Figur 7: Eine Abhängigkeit des maximalen Winkelfehlers von dem orthogonalen Fehler bei Anwendung des Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen räumlichen Querschnitt durch einen Kupplungsaktor 10 mit einer Sensoreinheit 12 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Kupplungsaktor 10 ist ein modularer Kupplungsaktor, ein sogenannter MCA, umfassend eine Spindel 14 und einen Elektromotor 16 mit einem drehbaren Rotor 18. Die Spindel 14 führt zur Kupplungsbetätigung eine lineare Bewegung aus und wird über einen Planetenwälzgewindetrieb 20, abgekürzt PWG, durch eine Drehbewegung des elektromechanisch angetriebenen Rotors 18 bewegt.
Die Sensoreinheit 12 ist zur Erkennung einer Winkelposition des Rotors 18 angeordnet und weist ein Drehelement 22 auf, das als mit dem als Rotor 18 ausgeführten Drehbauteil 24 drehfest verbundener Magnetring 26 ausgeführt ist. Der Magnetring 26 ist insbesondere ein Permanentmagnet und diametral magnetisiert.
Die Sensoreinheit 12 weist weiterhin ein Sensorelement 28 auf, das als Magnetsensor, insbesondere als Hall-Sensor, ausgeführt ist. Das Sensorelement 28 ist axial zu dem Drehelement 22 beabstandet auf einer Platine 30 angebracht und ermöglicht eine Erkennung des von dem Drehelement 22 ausgehenden Magnetfelds.
Durch die Einwirkung des von dem Drehelement 22 ausgehenden Magnetfelds auf das Sensorelement 28 ist eine Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils 24 möglich, da durch die diametrale Magnetisierung des Magnetrings 26 das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors 18 verändert wird.
In Figur 2 ist ein jeweiliger Verlauf des ersten und zweiten Sensorsignals S1, S2 abhängig von der Winkelposition α dargestellt. Das erste Sensorsignal S1 und das zweite Sensorsignal 52 sind jeweils ein periodisches Signal. Das erste Sensorsignal S1 ist ein Kosinussignal und das zweite Sensorsignal S2 ist ein Sinussignal, das jedoch gegenüber dem Kosinussignal einen orthogonalen Fehler, der durch den Versatzwinkel φ ausgedrückt ist, aufweist. Eine auf dem ersten und zweiten Sensorsignal S1, S2 aufbauende genaue Ermittlung der Winkelposition α über eine atan2-Funktion setzt jedoch eine Orthogonalität beider Sensorsignale voraus. Bleibt eine Abweichung davon unberücksichtigt, kann die ermittelte Winkelposition einem von dem orthogonalen Fehler abhängigen Winkelfehler ausgesetzt sein.
Figur 3a zeigt einen Kurvengraphen des ersten und zweiten Sensorsignals. Das erste Sensorsignal ist auf der x-Achse und das zweite Sensorsignal auf der y-Achse aufgetragen. Würden beide Sensorsignale ideal orthogonal zueinander sein, ergäbe sich ein kreisförmiger Kurvengraph. Durch den orthogonalen Fehler weicht der dem ersten und zweiten Sensorsignal entsprechende Kurvengraph davon ab und kann durch eine Ellipse mit einer entlang einem Winkel von 45° verlaufenden Flauptachse beschrieben werden.
Ein sich auf die Winkelposition auswirkender orthogonaler Fehler zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal kann über den Versatzwinkel nach (1) beschrieben werden. In Kenntnis des Versatzwinkels lässt sich ein um den orthogonalen Fehler bereinigtes zweites Sensorsignal nach (2) berechnen. Die Berechnung des Versatzwinkels mit herkömmlichen Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, einhergehend mit einer hohen Rechenleistung und zur Durchführung während eines Betriebs der Sensoreinheit unwirtschaftlich.
Anstelle der Ermittlung des Versatzwinkels kann der orthogonale Fehler in einem Umwandlungsschritt über eine Koordinatentransformation des ersten und zweiten Sensorsignals in einen Amplitudenunterschied der Amplituden der Sensorsignale nach (3) umgeformt und als umgewandelte Sensorsignale ausgegeben werden.
In Figur 3b ist ein Kurvengraph des jeweils umgewandelten ersten und zweiten Sensorsignals dargestellt. Die Koordinatentransformation erfolgt dabei durch eine Koordinatendrehung um 45°, entsprechend mit der Drehmatrix nach (4). Dadurch ergibt sich eine um 45° zu der aus Figur 3a gedrehte Ellipse. Die Amplituden der umgewandelten Sensorsignale können dadurch über die Ermittlung von einem Amplitudenunterschied nach (9) weiter ausgewertet werden.
Figur 4 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens 100 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren 100 erfasst eine Winkelposition a eines um eine Drehachse drehbaren Drehbauteils über eine Sensoreinheit 12, die ein von der Winkelposition a abhängiges einer ersten Erfassungsposition zugeordnetes unbearbeitetes erstes Sensorsignal und einer um die Drehachse senkrecht zu der ersten Erfassungsposition liegenden zweiten Erfassungsposition zugeordnetes unbearbeitetes zweites Sensorsignal
Figure imgf000011_0001
an eine Auswerteeinheit 102 ausgibt.
Die Auswerteeinheit 102 berechnet aus dem unbearbeiteten ersten und zweiten Sensorsignal
Figure imgf000011_0002
über mehrere Schritte die Winkelposition α. In Figur 5 ist ein jeweiliger Kurvengraph der Sensorsignale, die nach den einzelnen Schritten dieses Verfahrens ausgegeben werden und in Figur 6 ein jeweiliger Winkelfehlerverlauf des Winkelfehlers ε der Sensorsignale, die nach den entsprechenden Schritten dieses Verfahrens ausgegeben werden, abgebildet. Die nachfolgende Erläuterung bezieht sich, wenn nicht anders angegeben, auf das Verfahren nach Figur 4, nimmt jedoch stellenweise ausdrücklich Bezug auf Figur 5 und Figur 6.
Das unbearbeitete Sensorsignal Sa in Figur 5 bewirkt den in Figur 6 abgebildeten Winkeifehler εa. Der Winkeifehler εa erreicht dabei große Werte, die eine Erfassung der Winkelposition bei ausbieibender Berücksichtigung unzuverlässig werden lassen. Der Winkelfehler ε kann durch die nachfolgenden weiteren Schritte des Verfahrens stark verringert werden.
Das unbearbeitete erste und zweite Sensorsignal
Figure imgf000011_0003
wird zunächst einem Normierungsschritt 104 übergeben, der eine Offsetkorrektur 104.1 und eine Amplitudenkorrektur 104.2 des unbearbeiteten ersten und zweiten Sensorsignals
Figure imgf000011_0004
durchführt und dieses jeweils als erstes und zweites Sensorsignal S1, S2 ausgibt.
Das zugehörige Sensorsignal Sb nach dem Normierungsschritt ist in Figur 5 abgebildet und unterliegt im Hinblick auf Figur 6 einem verringerten Winkelfehler
Figure imgf000011_0005
dessen Amplitude um mehr als 50% gegenüber der Amplitude des Winkelfehlers
Figure imgf000011_0006
verringert wurde.
Das erste und zweite Sensorsignal S1, S2 wird an einen nachfolgenden Korrekturschritt 106 ausgegeben, der einen Umwandlungsschritt 108 und einen nachfolgenden Berechnungsschritt 110 umfasst. Das erste und zweite Sensorsignal S1, S2 wird in dem Umwandiungsschritt 108 durch eine Koordinatentransformation 108.1 umgewandelt und dadurch der orthogonale Fehler des ersten und zweiten Sensorsignals S1, S2 über die Koordinatentransformation nach (3) in einen Amplitudenunterschied der Amplituden der Sensorsignale umgeformt. Dabei wird auch eine Phasenverschiebung der beiden Sensorsignale berücksichtigt. Die Koordinatentransformation 108.1 erfolgt durch eine Koordinatendrehung um 45°, mit der Drehmatrix nach (4).
Das entsprechende Sensorsignal Sc in Figur 5 ist als um 45° gedrehte Ellipse veranschaulicht. Der dabei auftretende Winkelfehler in Figur 6 ist gegenüber dem
Figure imgf000012_0001
Winkelfehler um 45° versetzt.
Das jeweilige umgewandelte erste und zweite Sensorsignal
Figure imgf000012_0002
kann über (5) aus dem ersten und zweiten Sensorsignal S1, S2 berechnet werden. Da die umgewandelten ersten und zweiten Sensorsignale
Figure imgf000012_0003
in einem dem Korrekturschritt 106 nachfolgenden Auswerteschritt 112 zur Berechnung der Winkelposition α einer atan2-Funktion als Argumente übergeben werden, können die umgewandelten Sensorsignale
Figure imgf000012_0004
auch unter Auslassung des Vorfaktors nach (6) berechnet werden.
In einem dem Korrekturschritt 106 zugeordneten und dem Umwandlungsschritt 108 nachfolgenden Berechnungsschritt 110 werden die Amplitude
Figure imgf000012_0005
des umgewandelten ersten Sensorsignals
Figure imgf000012_0006
gemäß (7) und die Amplitude
Figure imgf000012_0007
des umgewandelten zweiten Sensorsignals
Figure imgf000012_0008
nach (8) berücksichtigt. Der Amplitudenunterschied γ wird über (9) ermittelt und in dem Berechnungsschritt 110 zur Anpassung der Amplitude des umgewandelten zweiten Sensorsignals
Figure imgf000012_0009
gemäß (10) verwendet. Das umgewandelte erste und zweite Sensorsignal
Figure imgf000012_0010
wird nachfolgend als bereinigtes erstes Sensorsignal
Figure imgf000012_0011
und als bereinigtes zweites Sensorsignal
Figure imgf000012_0012
dem Auswerteschritt 112 übergeben.
Das bereinigte Sensorsignal Sd in Figur 5 entspricht einem Kreis. Der in Figur 6 abgebildete zugehörige Winkelfehler
Figure imgf000012_0013
ist konstant.
In dem Auswerteschritt 112 wird die Winkelposition α* über eine atan2-Funktion mit dem bereinigten ersten und zweiten Sensorsignal
Figure imgf000012_0014
berechnet. Der Auswerteschritt 112 umfasst einen Phasenkorrekturschritt 114, bei dem die Phasenverschiebung durch eine Phasenkorrektur nach (15) ausgeglichen wird. Anschließend wird die Winkelposition α zur Weiterverarbeitung ausgegeben.
Der Winkelfehler
Figure imgf000012_0015
in Figur 6 ist dabei maximal verringert. In Figur 7 ist eine Abhängigkeit des maximalen Winkelfehlers
Figure imgf000013_0001
von dem orthogonalen Fehler bei Anwendung des Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der orthogonale Fehler wird über den Versatzwinkel Y ausgedrückt. Der maximale Winkelfehler
Figure imgf000013_0002
ist umso proportional zu dem
Figure imgf000013_0004
Versatzwinkel φ. Die Kurvenschar gibt den Einfluss von Rauschen und von harmonischen Störungen auf die Sensorsignale wieder.
Die Kurve Ka entspricht einem durch harmonische Störungen, die Kurve Kb einem durch Rauschen und die Kurve Kc einem durch beide Störgrößen beeinflussten Sensorsignal. Selbst bei einem Versatzwinkel φ
Figure imgf000013_0003
von 20° kann der maximale Winkelfehler durch das Verfahren gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste
10 Kupplungsaktor
12 Sensoreinheit 14 Spindel
16 Elektromotor
18 Rotor
20 Planetenwälzgewindetrieb
22 Drehelement 24 Drehbauteil
26 Magnetring
28 Sensorelement
30 Platine 100 Verfahren
102 Auswerteeinheit
104 Norm ierungsschritt
104.1 Phasenkorrektur
104.2 Amplitudenkorrektur 106 Korrekturschritt
108 Umwandlungsschritt
108.1 Koordinatentransformation
110 Berechnungsschritt
112 Auswerteschritt 114 Phasenkorrekturschritt α Winkelposition α0 Phasenverschiebung Phasenkorrektur Winkelfehler maximaler Winkelfehler γ Amplitudenunterschied
Ka Kurve Kb Kurve
Kc Kurve φ Versatzwinkel S1 erstes Sensorsignal S2 zweites Sensorsignal Sa Sensorsignal
Sb Sensorsignal
Sc Sensorsignal
Sd Sensorsignal unbearbeitetes erstes Sensorsignal unbearbeitetes zweites Sensorsignal umgewandeltes erstes Sensorsignal umgewandeltes zweites Sensorsignal bereinigtes erstes Sensorsignal bereinigtes zweites Sensorsignal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (100) zur Erfassung einer Winkelposition (α) eines um eine Drehachse drehbaren Drehbauteiis (24) über eine Sensoreinheit (12), die ein festgelegtes Sensorelement (28) und ein gegenüber diesem und gemeinsam mit dem Drehbauteil (24) drehbares Drehelement (22) aufweist, wobei das Sensorelement (28) jeweils ein von der Winkelposition (α) abhängiges einer ersten Erfassungsposition zugeordnetes erstes Sensorsignal
Figure imgf000016_0001
einer um die Drehachse senkrecht zu der ersten Erfassungsposition liegenden zweiten Erfassungsposition zugeordnetes zweites Sensorsignal (52, 5°) an eine Auswerteeinheit (102) ausgibt, die in einem Auswerteschritt (112) die Winkelposition (α) über eine atan2- Funktion berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem Auswerteschritt (112) vorgelagerten Korrekturschritt (106) der orthogonale Fehler über eine Koordinatentransformation (108.1) des ersten und zweiten Sensorsignals ( S1, S2) in einen Amplitudenunterschied (γ) der Sensorsignale umgewandelt und das erste und zweite Sensorsignal ( S1, S2) als um diesen Amplitudenunterschied (γ) jeweils bereinigtes erstes und zweites Sensorsignal dem Auswerteschritt (112) übergeben wird.
Figure imgf000016_0002
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturschritt (106) einen Umwandlungsschritt (108) aufweist, der die Koordinatentransformation (108.1) des ersten und zweiten Sensorsignals ( S1, S2) durchführt und das dabei jeweils umgewandelte erste und zweite Sensorsignal ausgibt.
Figure imgf000016_0003
3. Verfahren (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Berechnungsschritt (110) das umgewandelte erste und zweite Sensorsignal
Figure imgf000016_0004
um den Amplitudenunterschied (γ) bereinigt und als bereinigtes erstes und zweites Sensorsignal dem Auswerteschritt
Figure imgf000017_0001
(112) übergeben wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformation (108.1) eine Koordinatendrehung um 45° umfasst.
5. Verfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformation (108.1) jeweils als Subtraktion und Addition des ersten und zweiten Sensorsignals ( S1, S2) erfolgt.
6. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umwandlungsschritt (108) ein Normierungsschritt (104) vorgelagert ist, der eine Offsetkorrektur (104.1) und/oder eine Amplitudenkorrektur (104.2) des von der Sensoreinheit (12) ausgegebenen ersten und zweiten Sensorsignals ( S1, S2) durchführt und diese anschließend an den Umwandlungsschritt (108) übergibt.
7. Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteschritt (112) einen Phasenkorrekturschritt (114) umfasst, bei dem eine gemeinsame Phasenverschiebung ( α0) des ersten und zweiten Sensorsignals ( S1, S2) berechnet und die Winkelposition (α ) um diese Phasenverschiebung ( α0) bereinigt und ausgegeben wird.
8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenkorrekturschritt (114) nach Anwendung der atan2-Funktion erfolgt.
9. Erfassungssystem zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils (24) durch ein Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche und aufweisend eine Auswerteeinheit (102) und eine Sensoreinheit (12), die ein festgelegtes Sensorelement (28) und ein gegenüber diesem und gemeinsam mit dem Drehbauteil (24) drehbares Drehelement (22) aufweist.
10. Kupplungsaktor (10) für eine Kupplung zur Kupplungsbetätigung, aufweisend ein Erfassungssystem nach Anspruch 9.
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