DE102006026543A1 - Lagegeber und zugehöriges Verfahren zum Erfassen einer Position eines Läufers einer Maschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Technik zum Erfassen einer Position eines Läufers einer Maschine, beispielsweise einer Winkellage eines Rotors einer elektrischen Maschine, mit einer Geberstruktur, die an dem Läufer angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung, die der Geberstruktur gegenüber ist und die wenigstens ein Sensorsignal zur Verfügung stellt, aus dem die Position durch Ermitteln einer Induktivitätsänderung durch Bedämpfung einer induktiven Komponente in der Sensoranordnung ableitbar ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Lage eines Läufers, etwa eines Rotors einer Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, mit einer Geberstruktur, die an dem Läufer angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung, die der Geberstruktur gegenüber ist und die wenigstens ein Sensorsignal zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist.
- Eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Gattung ist aus der Druckschrift WO 02/084849 A1 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Anordnung besitzt einen an dem Rotor angebrachten Ring, der einzelne Segmente aufweist, die abwechselnd magnetisierbar sind. Den magnetisierbaren Ringelementen gegenüber sind drehfest aufgenommene Magnetsensorelemente vorgesehen. Der Induktionsverlauf in den einzelnen Segmenten des magnetisierbaren Sensorringes bewirkt eine Wechselummagnetisierung an den Sensorelementen, wobei um einen elektrischen Winkel verschobene Signalkurven der Sensorelemente erzeugt werden, aus welchen sich analoge Signale errechnen lassen, mit denen eine Beschreibung der Winkellage des Rotors möglich ist.
- Da der bekannte Sensor auf einem magnetischen Messprinzip beruht, ist er entsprechend empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern. Dies ist insbesondere dann ein Nachteil, wenn der Sensor beispielsweise im Automobilbereich eingesetzt werden soll, wo er harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und hohe Motorströme bis 1.000 Ampere auftreten.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Erfassen der Lage eines Läufers, etwa eines Rotors und ein zugehöriges Messverfahren zur Verfügung zu stellen, welche weniger empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern sind.
- Diese Aufgabe wird durch ein System der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem die Sensoranordnung eine erste induktive Komponente aufweist, und die Geberstruktur ausgebildet ist, eine bewegungsabhängige Änderung einer Induktivität der induktiven Komponente hervorzurufen.
- Wenn die Geberstruktur relativ zur Sensoranordnung bewegt wird, aufgrund einer Bewegung des Läufers, der in speziellen Ausführungsformen den Rotor einer elektrischen Maschine repräsentiert, ändern sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur das Verhalten der wenigstens einen Induktivität der Sensoranordnung, so dass bei geeigneter Ansteuerung der Sensoranordnung die Amplitude und/oder Phase und/oder Frequenz des Ausgangssignals entsprechend geändert werden. Somit können im erfindungsgemäßen System, im Gegensatz zu der bekannten Technik, die Wirbelstromverluste der Geberstruktur, wenn diese zumindest teilweise aus einem leitenden Material aufgebaut ist, zur Beeinflussung des Sensorsignals der Sensoranordnung ausgenutzt werden, so dass das verwendete System gegenüber bekannten magnetischen Messverfahren wesentlich störfester im Hinblick auf elektromagnetische Einflüsse ist.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Geberstruktur eine sich periodisch winkelabhängig verändernde Struktur auf. Auf diese Weise kann die Sensoranordnung ein sich periodisch veränderliches Signal ausgeben, aus welchem leicht die Winkellage erkennbar ist.
- Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die sich verändernde Struktur sinusförmig ist. Entsprechend wird die Sensoranordnung in Nachbildung der Sinusspur der Geberstruktur bedämpft, wodurch die Position der Geberstruktur besonders günstig ausgewertet werden kann. In anderen Ausführungsformen werden anderer „Dämpfungsmuster" durch die Geberstruktur nachgebildet, etwa eine Dreiecksstruktur, eine zumindest teilweise rechteckförmig ausgebildete Struktur, etc. Generell können andere Formen verwendet werden, die eine eindeutige Zuordnung einer durch die Induktivitätsänderung hervorgerufenen Signaländerung und der Lage des Läufers ermöglicht.
- Die Geberstruktur kann vorzugsweise auf einem Ring radial innen oder außen an dem Rotor vorgesehen sein. Bei dieser Anordnung kann sich die Periode der Winkelerfassung im Verlauf einer mechanischen Umdrehung des Rotors, im Falle einer Maschine mit Rotor, immer wieder wiederholen. Ist die Geberstruktur innen an dem Rotor befestigt, ist es sinnvoll, die Sensoranordnung innen gegenüber der Geberstruktur anzuordnen. Umgekehrt wird sich die Sensoranordnung typischerweise außerhalb des Rotors befinden, wenn die Geberstruktur außen an dem Rotor angeordnet ist.
- Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Geberstruktur axial an dem Rotor vorzusehen. Entsprechend kann dann eine Sensoranordnung beliebiger Bauform axial zum Rotor angeordnet werden.
- Entsprechend einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens ein Sensorsystem mit zwei Resonanzkreisen auf, die von einer Wechselspannungsquelle gespeist werden und die induktive Komponenten aufweisen, die in einem Zustand mit Bedämpfung oder Beeinflussung der Induktivität durch die Geberstruktur eine Positionsinformation enthaltende Ausgangssignale besitzen. Von den Resonanzkreisen ist eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudendifferenz abgreifbar, welche sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur ändert. Dabei ist die Genauigkeit des Sensorsystems von den Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle und den Bauteilen der Resonanzkreise bestimmt, wodurch bei entsprechender Qualität der Bauteile eine gute Funktionalität des Systems bereitgestellt werden kann. Die Resonanzkreise können als Reihenschwingkreise oder als Parallelschwingkreise vorgesehen werden.
- In anderen Ausführungsformen werden induktive Komponenten der Sensoranordnung als Komponenten zugehöriger Oszillatoren verwendet und der Frequenzunterschied der Oszillatoren, der durch die Induktivitätsänderung entsteht, wird ausgewertet, um die gewünschte Positionsinformation zu erhalten.
- In einem besonders günstigen Beispiel der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens zwei gleiche, zueinander mechanisch versetzte Sensorsysteme der oben beschriebenen Art auf. Durch die zueinander mechanisch versetzten Sensorsysteme können zueinander zeitlich versetzte Signale gleicher Form entsprechend unterschiedlicher Positionen der Geberstruktur generiert werden, welche dazu dienen, die Absolutposition der Geberstruktur genau festzustellen.
- Entsprechend einer günstigen Variante der Erfindung sind die Sensorsysteme der Sensoranordnung räumlich nahe zueinander angeordnet. Hiermit kann ein Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Rotors und der daran befindlichen Geberstruktur über eine möglichst gleiche Änderung der Sensorausgangssignale eliminiert werden.
- Vorteilhafterweise ist der Sensoranordnung eine Schaltung nachgeordnet, die das wenigstens eine Sensorsignal in ein die Positionsinformation enthaltendes Signal am Schaltungsausgang umwandelt. Mit Hilfe der Schaltung können die von der Sensoranordnung gemessenen Phasendifferenzen und/oder Amplitudendifferenzen und/oder Frequenzdifferenzen in ein Signal umgewandelt werden, das gegebenenfalls direkt die zu erfassende Winkellage wiedergibt.
- Es ist in einigen Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die Schaltung symmetrische Kanäle zum Abgreifen und Verarbeiten von Sensorsignalen der Sensoranordnung aufweist. Wenn die von der Sensoranordnung ausgegebenen Signale in ihrer Form gleich sind, kann durch die symmetrische Anordnung der Schaltungskanäle eine gleiche Verarbeitung der Sensorsignale gewährleistet werden. Damit können die verarbeiteten Sensorsignale zu einem hochgenauen Ausgangssignal verarbeitet werden.
- In einigen Ausführungsformen sind die Sensorsysteme zueinander versetzt, insbesondere um 90°, angeordnet. Dadurch kann beispielsweise bei entsprechender Ausbildung der Geberanordnung ein Sinus- und ein Kosinussignal generiert werden.
- Günstigerweise liegt die Frequenz der Wechselspannungsquelle, die zur Schwingungserzeugung in der Sensoranordnung eingesetzt wird, zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz. In diesem Bereich kann die Sensoranordnung besonders gut durch die Wirbelstromverluste der Geberstruktur beeinflusst werden.
- Die Resonanzkreise sind in einigen Ausführungsformen auf die Frequenz der Wechselspannungsquelle abgestimmt sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Resonanzkreise im Hinblick auf Fertigungstoleranzen abgleichen lassen, um eine hohe Auswerteempfindlichkeit erreicht werden, wobei die Betriebsfrequenz an eine geeignete Position in der Nähe der Resonanzfrequenzen für die bedämpfte Sensoranordnung gelegt wird.
- Es ist besonders von Vorteil, wenn das die Positionsinformation enthaltende Signal ein Sinussignal und ein Kosinussignal aufweist und ein Rechenmodul nachgeordnet ist, das aus dem Sinussignal und dem Kosinussignal eine Arcustangensfunktion berechnet. Diese kann die Winkellage direkt wiedergeben.
- Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Erfassen einer Lage eines Läufers einer Maschine gelöst. Das Verfahren umfasst das Ändern der Induktivität einer Sensoranordnung durch Lageänderung einer mit dem Läufer gekoppelten Geberanordnung und das Erfassen der Induktivitätsänderung der Sensoranordnung. Ferner wird eine Lage des Läufers auf der Grundlage der erfassten Induktivitätsänderung ermittelt.
- Dieses nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Verfahren ermöglicht eine weitgehende Unempfindlichkeit der Läuferlageerfassung gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Phasendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
- Dadurch kann eine effiziente Auswertung, beispielsweise auf der Grundlage von Resonanzkreisen in der Sensoranordnung, erfolgen, wobei die ortsabhängigen Wirbelstromverluste in der Geberanordnung präzise ausgewertet werden können. Dazu kann die Auswertung auf der Grundlage eines analogen Signals mit entsprechenden Phasendifferenzen bewerkstelligt werden.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Amplitudendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Frequenzdifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
- In diesen Ausführungsformen können bewährte Signalverarbeitungseinrichtungen, beispielsweise Mikrocontroller oder Mikroprozessoren eingesetzt werden, so dass sich ein hohes Maß an Gestaltungsflexibilität ergibt.
- Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen dargelegt. Ferner werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung beschrieben, in welchen
-
1a bis1e Beispiele für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, in denen Reihenresonanzkreise, Parallelresonanzkreise und Oszillatoren mit angekoppelten Induktivitäten vorgesehen sind, um eine durch eine Geberstruktur hervorgerufene Induktivitätsänderung zu erfassen; -
2 schematisch die Anordnung der Sensorspulen in Relation zu der Geberstruktur und die sich daraus ergebenden Sensorsignale gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; -
3a bis3c schematisch die Funktion von Schaltungen zeigen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um eine Phasendifferenz, eine Amplitudendifferenz bzw. eine Frequenzdifferenz auszuwerten; -
4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schaltung von3a zeigt; und -
5 schematisch zeigt, wie in der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann. -
1a bis1e zeigen die Grundstruktur eines Sensorsystems5 , das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Anwendung findet. - Das Sensorsystem
5 ist ein induktiver Positionssensor, der in der Ausführungsform der1a im wesentlichen aus zwei Reihenresonanzkreisen6a ,6b aufgebaut ist, die parallel zueinander angeordnet sind. Jeder der Reihenresonanzkreise6a ,6b weist eine Spule bzw. Induktivität L1 bzw. L2, einen Widerstand R1 bzw. R2 und eine Kapazität C1 bzw. C2 auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind. - Die Induktivitäten L1, L2 sind vorzugsweise in planarer Form ausgeführt. Die Kapazitäten C1, C2 sind in der dargestellten Ausführungsform als diskrete Bauteile ausgebildet.
- Die beiden Resonanzkreise
6a ,6b werden von einer Wechselspannungsquelle V gespeist, die parallel zu den beiden Reihenresonanzkreisen geschaltet ist. Die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V liegt typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz. - Die Reihenresonanzkreise
6a ,6b sind auf die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V abgestimmt und befinden sich im Ruhezustand, das heißt ohne Bedämpfung, in der Nähe der Resonanzfrequenz. Hierdurch kann eine hohe Empfindlichkeit der Reihenresonanzkreise6a ,6b erzielt werden, wobei durch Wahl der Arbeitsfrequenz eine gewisse Toleranz des Abstandes zwischen der Geberstruktur und den induktiven Komponenten L1, L2 ausgeglichen werden kann, wie dies nachfolgend mit Bezug zu5 beschrieben ist. Die Genauigkeit dieser Abstimmung wird dabei von dem Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle V und den Bauteilen L, R, C der Reihenresonanzkreise6a ,6b bestimmt. Je geringer diese Toleranzen sind, umso besser ist die Funktionalität des Sensorsystems5 . - Gelangt eine bewegte leitende Struktur in das Magnetfeld der Induktivitäten L1, L2, wird durch die auftretenden Wirbelströme eine Phasendifferenz zwischen den beiden Resonanzkreisen
6a ,6b erzeugt. Diese Phasendifferenz ist im wesentlichen von einer Geberstruktur, welche unten näher beschrieben ist, und von der Güte der Resonanzkreise6a ,6b abhängig. Maximal kann eine Phasendifferenz von ±90°, also ein dphi von 180° auftreten. - In
1b ist eine Ausführungsform dargestellt, in denen die Schwingkreise6a ,6b Parallelschwingkreise bilden und das Signal an einem entsprechenden Knoten zwischen den Widerständen R1 bzw. R2 und den zugehörigen Parallelresonanzkreisen abgegriffen wird. Auch in diesem Fall lässt sich eine von der durch eine Geberstruktur hervorgerufenen Induktivitätsänderung abhängige Phasendifferenz gewinnen. - In
1c ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der die Resonanzkreise6a ,6b als Reihenschwingkreise vorgesehen sind, wobei die Differenz der Spitzenspannung dUss der beiden Kreise, also die Differenz der Amplitude, als Maß für die Induktivitätsänderung und damit als Positionsinformation gewonnen wird. -
1d zeigt eine Ausführungsform, in der die Schwingkreise6a ,6b als Parallelkreise zum Ermitteln einer Amplitudendifferenz vorgesehen sind. -
1e zeigt eine Ausführungsform, in der die induktiven Komponenten L1 und L2 mit entsprechenden Oszillatoren Os1 und Os2 gekoppelt sind und damit Teil der entsprechenden Oszillatoren sind, um das Schwingungsverhalten in Abhängigkeit der Induktivitätsänderung durch eine Frequenzdifferenz df zu erfassen. -
2 zeigt schematisch die Anordnung einer Geberstruktur3 in Relation zu einer Sensoranordnung4 , die in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Sensorsystem5a mit den Induktivitäten L1, L2 des in1 dargestellten Sensorsystems5 in Kombination mit einem zweiten Sensorsystem5b mit Induktivitäten L3, L4, das ebenfalls einen Aufbau gemäß der1 aufweisen kann, umfasst, eine signalverarbeitende Schaltung8 und die daraus resultierenden Spannungssignale U in Abhängigkeit von der Zeit t gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Die Geberstruktur
3 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform auf der Oberfläche eines Zylinderrings7 an einem Läufer, in einer Ausführungsform an dem Rotor2 einer elektrischen Maschine1 angebracht und mit diesem bewegbar. In einer Ausführungsform repräsentiert die elektrische Maschine1 eine permanentmagnetisch erregte Maschine, in der das Winkelsignal zur elektrischen Kommutierung verwendet wird. Die Geberstruktur3 kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch radial innen an dem Rotor2 vorgesehen sein. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung ist es auch möglich, die Geberstruktur3 axial an dem Rotor2 vorzusehen. - Die Geberstruktur
3 ist in der dargestellten Ausführungsform sinusförmig auf dem Ring7 radial außen an dem Rotor2 angebracht. Die angewendete Sinusform ist vorteilhaft, da durch diese Geometrie die Geberstruktur3 in der Lage ist, eine Bedämpfungsfläche in Form einer Sinusspur auszubilden, womit wiederum das von dem Sensorsystem5 erfasste Sensorsignal9 sinusartig beeinflussbar ist und damit leicht auswertbar ist. - Grundsätzlich können jedoch auch andere sich winkelabhängig verändernde Strukturen für die Geberstruktur
3 verwendet werden. Diese können periodisch sein, müssen es jedoch nicht. Beispielsweise kann die Geberstruktur sich wiederholende Dreieckstrukturen aufweisen. Auch andere Formen, die eine positionsabhängige Induktivitätsänderung ergeben, etwa rechteckförmige Strukturen, etc. können eingesetzt werden. - Die Geberstruktur
3 kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Kupfer, einer Leiterplatte, leitenden Folien oder metallisiertem Kunststoff ausgebildet sein. Sie muss lediglich leitfähig sein bzw. einen leitfähigen Bestandteil aufweisen. Sie muss nicht magnetisch sein. - Der Geberstruktur
3 gegenüber sind die Sensorspulen L1, L2 beispielsweise in Form der Resonanzkreise6a ,6b des ersten Sensorsystems5a angeordnet, und dazu um 90° versetzt sind die Sensorspulen L3, L4 des Sensorsystems5b angeordnet. Die Sensorinduktivitäten L1, L2 und L3, L4 sind so vor der Geberstruktur3 angeordnet, dass jedes Paar einen Winkelabstand von 180° bildet, so dass ein Differenzsignal für jedes Paar der Sensorsysteme5a ,5b erzeugt wird. Diese Differenzsignale enthalten jeweils die Position des Läufers oder Rotors2 . Aufgrund der beiden Sensorsysteme5a ,5b ergeben sich zwei um 90° verschobene Differenzsignale, beispielsweise ein Sinussignal und ein Cosinussignal, abhängig von der Form der Geberstruktur3 . Aus den beiden Differenzsignalen kann dann auch die Absolutposition, d.h., auch die Richtung der Bewegung, der Geberstruktur3 ermittelt werden. - Im Anschluss an die Sensorsysteme
5 mit den Spulen L1, L2 und L3, L4 ist die Schaltung8 vorgesehen, die die Auswertung der Differenzsignale vornimmt. In der gezeigten Ausführungsform erzeugt die Schaltung8 zunächst die Ausgangssignale10 . -
3a zeigt schematisch die Funktion einer Ausführungsform der in der vorliegenden Erfindung angewendeten Schaltung8 . Die Schaltung8 in dieser Ausführungsform ist ein ASIC (application specified integrated circuit), das heißt ein anwenderspezifischer Schaltkreis, der im einzelnen in4 dargestellt ist. Die Schaltung8 hat die Funktion, aus der Phasendifferenz9 , die auch als dphi bezeichnet ist, der Resonanzkreise6a ,6b des ersten und zweiten Sensorsystems5a ,5b am Schaltungseingang eine Analogspannung V(dphi)10 am Schaltungsausgang11 zu erzeugen. Wie in2 und3a gezeigt, weist die Spannung10 am Schaltungsausgang11 ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos auf. - In
3b sind die Differenzsignale9 der Sensorsysteme5a ,5b als dUss bezeichnet, die in einer ersten Stufe8a zu entsprechenden Amplitudendifferenzsignale umgewandelt werden und dann einer zweiten Auswertestufe8b , die beispielsweise als Mikrorechner oder ähnlichem vorgesehen sein kann, zugeleitet sind, um daraus die gewünschte Positionsinformation zu ermitteln. -
3c zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Differenzsignale9 als Frequenzdifferenzen df erhalten werden, beispielsweise auf der Grundlage einer Anordnung der Sensorsysteme5a ,5b , wie sie in1e gezeigt ist. Die Differenzsignale9 können wieder einer Auswerteschaltung8 , etwa einem Mikrorechner oder dergleichen, zugeführt werden. Bei Verwendung eines Mikrorechner können eventuell vorhandene interne Ressourcen, etwa ein ADC, und dergleichen verwendet werden, um eine Verarbeitung der Signale9 zu ermöglichen. Es können auch spezielle Komponenten eingesetzt werden, die je nach Anwendung in einer oder mehreren integrierten Schaltungen enthalten sein können. -
4 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltung8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend der Signalverarbeitung der3a . Es ist zu beachten, dass die in4 gepunkteten Bereiche externe Komponenten sind und nicht zu der Schaltung8 gehören. - Wie oben beschrieben, wird mit Hilfe der Sensorsysteme
5a ,5b die Phasenlage der an dem Rotor2 angebrachten Geberstruktur3 sowie deren Vorzeichen ermittelt. Die Sensorsysteme5 , die in4 links, gepunktet dargestellt sind, geben die Sensorsignale9 in der gezeigten Ausführungsform mit entsprechenden Phasendifferenzen dphi aus, die von der Schaltung8 am Schaltungseingang14 abgegriffen werden. Mit den Modulen15 werden die abgegriffenen Sensorsignale9 verstärkt und gefiltert. Daraufhin wandeln Komparatoren16 die verstärkten und gefilterten Analogsignale in digitale Signale um, indem die Eingangsspannungen mit einer Referenzspannung Vref verglichen werden, wobei jeweils nur ein High- und ein Low-Pegel erzeugt wird. Entsteht bei diesem Vorgang eine Amplitude von Null, wird diese nicht weiterbehandelt sondern von dem ZAP (Zero-Amplitude-Phase)-Glied17 separat behandelt. - Die erzeugten digitalen Signale werden im folgenden über Exklusiv-Oder-Glieder
18 geleitet, welche Rechtecksignale mit großem Oberwellengehalt erzeugen. Die Ausgangssignale der Exklusiv-Oder-Glieder18 werden dann über Tiefpassfilter19 geleitet. Die Ausgangssignale der Tiefpassfilter19 werden an Pufferstufen20 ausgegeben, welche zudem ein Spannungssignal Vcc von 5 V ±10% von dem Spannungsregler21 erhalten. Im Ergebnis der Pufferstufen20 werden ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos als Analogspannung10 am Schaltungsausgang11 ausgegeben. - Wie in
4 zu sehen, werden die von den Sensorsystemen5 ausgegebenen Signale dphi in zwei symmetrischen Kanälen12 verarbeitet. Dabei weist jeweils ein Kanal Verstärker und Filter15 für jeweils beide Resonanzkreise6a ,6b , zwei Komparatoren16 für die Ausgangssignale der Verstärker und Filter15 , ein Exklusiv-Oder-Glied18 zum Zusammenführen der Signale der Komparatoren16 , einen Tiefpassfilter19 für das Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes18 und eine Pufferstufe20 für die Ausgabe der Analogspannungssignale bzw. der Sinus- und Kosinussignale10 auf. - Um ein genaues Messsystem für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen zur Verfügung zu stellen, wird die Temperaturstabilität der Schaltung
8 sehr effizient ausgelegt und die EMV-Empfindlichkeit der Schaltung8 wird klein gehalten. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Ausgangsspannungen10 entsprechend der Phasenposition im Hinblick auf mögliche Offsetstreuungen sehr genau sind. - Im Anschluss an die Schaltung
8 ist ein Rechenmodul13 vorgesehen, das das Sinussignal sin und das Kosinussignal cos der Ausgangsspannungen10 zu einem Arcustangenssignal verknüpft. Damit entsteht ein lineares Ausgangssignal, aus welchem die Lage der Geberstruktur3 und damit des Rotors2 direkt ableitbar ist. -
5 zeigt schematisch, wie mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann.5 stellt die Empfindlichkeit, beispielsweise in Form der Amplitude, in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz ω der Resonanzkreise6a ,6b dar. Wie aus5 hervorgeht, ist die Empfindlichkeit der Resonanzkreise6a ,6b nahe der entsprechenden Resonanzfrequenz am größten. Kurve B zeigt schematisch den Verlauf der Amplitude bei geringem Abstand der Geberstruktur3 von den jeweiligen Sensorspulen. In diesem Falle ist die Bedämpfung durch die Geberstruktur3 hoch und ergibt eine Resonanzfrequenz ωu des bedämpften Systems, die von der unbedämpften oder wenig bedämpften Resonanzfrequenz ω0 (Kurve A) abweicht. Bei Durchlaufen der Geberstruktur3 treten also entsprechende Unterschiede in der Amplitude auf, die bei insgesamt geringen Abstand der Geberstruktur3 von den Spulen effizient ausgewertet werden können. Bei Vergrößerung des Abstands, beispielsweise auf Grund von Fertigungstoleranzen, etc. ist die mittlere Bedämpfung beim Vorbeilaufen der Geberstruktur deutlich geringer und damit bei festgelegter Arbeitsfrequenz auch die Empfindlichkeit bei Änderung der Bedämpfung durch die Form der Geberstruktur. In diesem Falle kann der Verlust an Empfindlichkeit im Differenzsignal zu einem gewissen Grade kompensiert werden, indem die Arbeitsfrequenz ωB entsprechend höher gewählt wird, d.h., der Arbeitspunkt P wird näher an die „mittlere" Resonanzfrequenz des im Mittel weniger bedämpften Systems herangeführt, so dass dennoch ausreichend große Differenzsignale erhalten werden können. D.h., auch für einen im Mittel größeren Abstand, der zu einer insgesamt für den Durchlauf der Geberstruktur geringeren Dämpfung führt, kann durch eine Anhebung des Arbeitspunktes P, der der Arbeitsfrequenz ωB entspricht, eine relativ intensives Differenzsignal gewonnen werden. - Führt beispielsweise ein größerer Abstand der Geberstruktur
3 , zum Beispiel durch einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes7 , zu einer geringeren Bedämpfung der Sensoranordnung4 , kann durch eine günstige Wahl des Arbeitspunktes P näher an der mittleren Resonanzfrequenz ω0, wie durch den Pfeil in5 gezeigt, die Empfindlichkeit heraufgesetzt werden, wodurch das Ausgangssignal so groß ist, dass die Winkellage des Rotors2 mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Änderung des Abstandes zwischen der Geberstruktur3 und der Sensoranordnung4 bis zu zwei Millimeter betragen und dennoch eine ausreichend hohe Amplitude erzielt werden. - Ebenso wie das Lager des Rotors
2 mit der daran befindlichen Geberstruktur3 in Radialrichtung in seiner Position schwanken kann, kann es auch in Achsenrichtung wandern. So ist es möglich, dass sich die Geberstruktur3 von der Sensoranordnung4 wegbewegt und dieser nicht mehr ideal gegenüber ist. Unter Umständen können hierbei axiale Toleranzen von wenigen Millimetern auftreten. Für diesen Fall kann das Spulendesign der Induktivitäten L1, L2 entsprechend angepasst werden, um axiale Toleranzen von zum Beispiel fünf Millimetern ausgleichen zu können. - Die Sensorsysteme
5 können in beliebiger Bauform gestaltet sein und, in Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur3 , radial oder axial zu dem Rotor2 angeordnet sein. In Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur3 und der zugehörigen Sensoranordnung4 kann demnach die Abtastung der Geberstruktur3 sowohl radial innen und außen als auch axial erfolgen. - In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorsysteme
5 räumlich nahe zueinander angeordnet, beispielsweise mit einem Abstand von einigen Millimetern, um einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes7 über eine möglichst gleiche Amplitudenänderung auf den Differenzsignalen, beispielsweise der Sinus- und Kosinusspannung, zu eliminieren. - In den dargestellten Ausführungsformen sind die Sensorsysteme
5 an einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine vorgesehen. In anderen Ausführungsformen können die Geberstruktur3 und die Sensorsysteme5a und/oder5b an beliebigen relativ zu einander bewegten Objekten, die hierin allgemein als Läufer und Stator bezeichnet sind, vorgesehen werden, um Position und/oder Bewegungsrichtung des Läufers zu bestimmen. Beispielsweise kann damit die Position und Richtung in einem Linearantrieb erfasst werden. Ferner kann der Läufer nur mit einem einzelnen Sensorsystem5a oder5b versehen sein, wenn die Richtung nicht bestimmt werden soll oder durch andere Mittel erfasst wird. Somit ist ein effizientes Mittel zur Winkelmessung und/oder zur Wegmessung bereitgestellt, in der durch die Induktivitätsänderung unter anderem durch Wirbelstromverluste in der Geberstruktur eine hohe Störsicherheit erreicht wird gegenüber rein magnetisch arbeitenden Systemen. - Mit dem Rotorlagegeber, wie er zuvor in einigen Ausführungsformen beschrieben ist, kann die Winkellage von zueinander rotierenden Teilen und insbesondere die Winkellage eines Rotors einer elektrischen Maschine berührungslos und sehr störunanfällig ermittelt werden, wodurch die Steuerung von elektrischen Maschinen, z.B. permanent erregte Maschinen, Asynchronmaschinen, etc. unter Einsatz eines robusten und kostengünstigen Sensorsystems in sehr effizienter Weise durchgeführt werden kann.
- Beispielsweise bezieht sich die Winkellage von 0 bis 360°, die aus dem Signal des Gebersystems abgeleitet werden kann, jeweils auf eine Periode einer sinusförmigen Stromkommutierung einer Synchronmaschine, die der Polpaarzahl im Stator entspricht. Wenn z.B. die Synchronmaschine eine Polpaarzahl von 7, aufweist, wiederholt sich die Periode der Winkelerfassung von 0 bis 360° siebenmal im Verlauf einer mechanischen Umdrehung, was einem Winkel von 51,43° entspricht.
- Das erfindungsgemäße System zum Erfassen der Position eines Läufers, insbesondere der Winkellage eines Rotors sowie das zugehörige Verfahren sind insbesondere vorteilhaft bei Startergeneratoranwendungen im Automobilbereich einsetzbar, wo der Schaltkreis
8 harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und der induktive Positionssensor gegenüber hohen Motorströmen von bis zu 1.000 Ampere unempfindlich sein muss. Ferner lassen sich durch das erfindungsgemäße Sensorsystem elektrische Antriebe, die in Fahrzeugen beispielsweise in Hybridantrieben oder als reine Elektroantriebe vorgesehen sind, effizient einsetzen, da beispielsweise die elektronische Kommutierung von permanent erregten Synchronmotoren oder bürstenlosen Gleichstrommotoren oder die Steuerung von Asynchronmaschinen durchgeführt werden kann. -
- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Läufer bzw. Rotor
- 3
- Geberstruktur
- 4
- Sensoranordnung
- 5, 5a, 5b
- Sensorsysteme
- 6a, 6b
- Resonanzkreise Geberring Schaltung Sensorsignale Analogspannung Schaltungsausgang Schaltungskanal Rechenmodul Schaltungseingang Verstärker und Filter Komparatoren ZAP (Zero Amplitude Phase) Exklusiv-Oder-Glieder Tiefpassfilter Pufferstufen Spannungsregler
- C1, C2
- Kapazitäten
- cos
- Kosinussignal
- L1, L2, L3, L4
- Induktivitäten
- P
- Arbeitspunkt
- A
- Amplitude
- R1, R2
- Widerstände
- sin
- Sinussignal
- V
- Wechselspannungsquelle
- ω0
- Resonanzfrequenz
- ωB
- Arbeitsfrequenz
- ωU
- Resonanzfrequenz bei starker Bedämpfung
- Os1, Os2
- Oszillator
Claims (29)
- System zum Erfassen einer Lage eines Läufers (
2 ) einer Maschine, mit einer Geberstruktur (3 ), die an dem Läufer (2 ) angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung (4 ), die der Geberstruktur (3 ) gegenüber ist und wenigstens ein Sensorsignal (9 ) zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist, wobei die Sensoranordnung (4 ) eine erste induktive Komponente aufweist, und die Geberstruktur (3 ) ausgebildet ist, eine bewegungsabhängige Änderung einer Induktivität der induktiven Komponente hervorzurufen. - System nach Anspruch 1, wobei die Geberstruktur ein elektrisch leitendes Material aufweist.
- System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Geberstruktur (
3 ) eine sich periodisch winkelabhängig verändernde Struktur aufweist. - System nach Anspruch 3, wobei die sich verändernde Struktur sinusförmig, dreieckförmig oder teilweise recheckförmig ist.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geberstruktur (
3 ) auf einem Ring (7 ) radial innen oder außen an dem Rotor (2 ) vorgesehen ist. - System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geberstruktur (
3 ) axial an einem Rotor (2 ) vorgesehen ist. - System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (
4 ) einen ersten Schwingkreis (6a ,6b ) aufweist und die erste induktive Komponente ein Teil des ersten Schwingkreises (6a ,6b ) ist. - System nach Anspruch 7, wobei die Sensoranordnung einen zweiten Schwingkreis (
6a ,6b ) mit einer zweiten induktiven Komponente aufweist und der erste und der zweite Schwingkreis ein erstes Sensorsystem bilden. - System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste induktive Komponente als Teil eines ersten Oszillators verwendet ist.
- System nach Anspruch 9, wobei eine zweite induktive Komponente vorgesehen ist, die als Teil eines zweiten Oszillators verwendet ist und der erste Oszillator, die erste induktive Komponente, der zweite Oszillator und die zweite induktive Komponente ein erstes Sensorsystem (
5 ) bilden. - System nach Anspruch 8 oder 10, wobei die Sensoranordnung (
4 ) ein zweites, zu dem ersten versetztes Sensorsystem (5 ) umfasst. - System nach Anspruch 11, wobei das erste und zweite Sensorsystem baugleich sind.
- System nach Anspruch 11 oder 12, wobei das erste und zweite Sensorsystem (
5 ) der Sensoranordnung (4 ) räumlich nahe zueinander angeordnet sind, so dass die Geberanordnung das erste und das zweite Sensorsystem im wesentlichen gleich beeinflusst. - System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensoranordnung (
4 ) eine Schaltung (8 ) nachgeordnet ist, die das Sensorsignal (9 ) in ein die Winkelinformation beinhaltendes Signal (10 ) am Schaltungsausgang (11 ) umwandelt. - System nach Anspruch 14, wobei die Schaltung (
8 ) ausgebildet ist, das die Winkelinformation beinhaltende Signal aus einer Phasendifferenz und/oder aus einer Amplitudendifferenz und/oder aus einer Frequenzdifferenz des Sensorsignals zu ermitteln. - System nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Schaltung (
8 ) symmetrische Kanäle (12 ) zum Abgreifen und Verarbeiten von Komponenten des Sensorsignals (9 ) der Sensoranordnung (4 ) aufweist. - System nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite induktive Komponente (L1, L2) des ersten und zweiten Schwingkreises (
6a ,6b ) angeordnet sind, um zueinander phasenverschobene Ausgangssignale auszugeben. - System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine mit zumindest der ersten induktiven Komponente gekoppelten Wechselspannungsquelle (V) mit einer Frequenz (f) zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz vorgesehen ist.
- System nach Anspruch 18 und 7 und 8, wobei der erste und der zweite Schwingkreis (
6a ,6b ) auf die Frequenz (f) der Wechselspannungsquelle (V) abgestimmt sind. - System nach Anspruch 19, wobei der erste und der zweite Schwingkreis auf die Frequenz des Wechselspannungsquelle auf der Grundlage eines Abstands der Geberstruktur von der Sensoranordnung abgestimmt sind.
- System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Schwingkreis ein Reihenschwingkreis ist.
- System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Schwingkreis ein Parallelschwingkreis ist.
- System nach Anspruch 14, wobei die Schaltung ein erstes Modul aufweist, das ein Sinussignal (sin) und ein Kosinussignal (cos) erzeugt und die Schaltung (
8 ) ein Rechenmodul (13 ) aufweist, das aus dem Sinussignal (sin) und dem Kosinussignal (cos) eine Arcustangensfunktion berechnet. - Verfahren zum Erfassen einer Lage eines Läufers (
2 ) einer Maschine, mit: Ändern der Induktivität einer Sensoranordnung durch Lageänderung einer mit dem Läufer gekoppelten Geberstruktur, Erfassen der Induktivitätsänderung der Sensoranordnung, und Ermitteln einer Lage des Läufers auf der Grundlage der erfassten Induktivitätsänderung. - Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Phasendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Amplitudendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
- Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Frequenzdifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei eine Arbeitsfrequenz zur Beaufschlagung einer induktiven Komponente mit Wechselspannung auf der Grundlage eines Abstands der induktiven Komponente von einer Geberstruktur.
- Verfahren nach Anspruch 28, wobei bei größerem Abstand die Arbeitsfrequenz höher gewählt wird im Vergleich zu einem kleinerem Abstand.
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