DE102015207615A1 - Apparatus and method for detecting a rotational position of a rotatable component - Google Patents

Apparatus and method for detecting a rotational position of a rotatable component Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (100; 200; 300) zum Detektieren einer Drehlage (P) eines drehbaren Bauelements mit verbesserter Kompensation axialer und radialer Fehljustierungen und unrunden Laufs umfasst wenigstens einen wenigstens ein Sensorsignal (UF1, UF2) liefernden induktiven Messaufnehmer (101, 102; 201, 202), wenigstens ein mit dem Bauelement drehbares Lagegeberelement (108; 208; 308) mit in Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichteter, elektrisch leitender Geberspur (110; 210; 310) mit entlang der Umfangsrichtung periodisch variierender, quer dazu gerichteter Erstreckung (112), wobei der Messaufnehmer der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie einen ein Kompensationssignal (UK) liefernden induktiven Kompensationsaufnehmer (120; 220), der der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird, wobei in der Geberspur durch Messaufnehmer und/oder Kompensationsaufnehmer das Sensorsignal und/oder Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind. Ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage mit der Vorrichtung wird vorgeschlagen.A device (100, 200, 300) for detecting a rotational position (P) of a rotatable component with improved compensation for axial and radial misalignments and non-circular travel comprises at least one inductive sensor (101, 102, 201,) supplying at least one sensor signal (UF1, UF2). 202), at least one position-sensitive element (108; 208; 308) rotatable with the component in the circumferential direction (111) of the position-encoder element, having an electrically conductive donor track (110; 210; 310) with a circumferentially varying transversely directed extent along the circumferential direction (112), wherein the sensor of the encoder track at a predetermined distance opposite at least partially covers their extent at each position along the entire circumference of the position sensor element, and a compensating signal (UK) supplying inductive Kompensationsaufnehmer (120; 220), the encoder track at a predetermined distance opposite of this at each position e ntlang the entire circumference of the position sensor element is completely covered, which in the encoder track by sensors and / or compensation sensor, the sensor signal and / or compensation signal influencing eddy currents are inducible. A method for detecting the rotational position with the device is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage des drehbaren Bauelements. The invention relates to a device for detecting a rotational position of a rotatable component. The invention further relates to a method for detecting the rotational position of the rotatable component.

Zum Ansteuern permanenterregter Synchronmaschinen wird eine exakt bestimmte Winkellage vom Rotor zum Stator dieser Maschinen benötigt. Die Winkellage wird durch Sensoren erfasst und elektronischen Leistungsschaltern zum Ansteuern von insbesondere Statorwicklungen übermittelt. Eine Art von Sensoren zum Erfassen der Winkellage arbeitet nach einem Wirbelstromprinzip, bei dem Änderungen einer Induktivität einer Spule ausgewertet werden, die durch Rückwirkung in einem Geberelement von der Spule induzierter Wirbelströme auf die Spule hervorgerufen werden. To drive permanent-magnet synchronous machines, a precisely determined angular position from the rotor to the stator of these machines is required. The angular position is detected by sensors and transmitted to electronic circuit breakers for driving in particular stator windings. One type of sensors for detecting the angular position operates on an eddy current principle, in which changes in an inductance of a coil are evaluated, which are caused by reaction in a donor element from the coil induced eddy currents on the coil.

Aus der Druckschrift DE 20 2011 000 228 U1 ist ein Lagegeberelement für eine induktive Winkelbestimmung in Rotationsmaschinen zum Anbringen an einem Rotor der Maschine zur Erzeugung positionsabhängiger Wirbelstromverluste in einer vom Rotor mit definiertem Abstand positionierten Sensorspule in Abhängigkeit einer Rotationsbewegung des Rotors bekannt. Das Lagegeberelement umfasst eine Geberspur aus elektrisch leitfähigem Material, die einen in radialer Richtung variierenden Rand und einen kreisförmigen Rand aufweist. In 1 ist in einer grob schematischen, perspektivischen Explosionsdarstellung eine derartige, einen Stator 501 und einen demgegenüber um eine Rotationsachse 503 drehbaren Rotor 502 aufweisende Rotationsmaschine 500 wiedergegeben, in der ein Winkelpositionssensorsystem 510 mit einem derartigen Lagegeberelement 520 in Richtung der Rotationsachse 503 koaxial vor dem Rotor 502 angeordnet ist. Das Lagegeberelement 520 weist einen am Rotor 502 befestigten Grundkörper 522 und eine an dessen Umfang angeordnete Geberspur 521 auf. Die Geberspur 521 ist derart aufgebaut, dass darin Wirbelstromverluste hervorgerufen werden können, wobei deren Größe mit einer aktuellen Winkelposition des Lagegeberelements 520 und damit des Rotors 502 korreliert ist. Die Geberspur 521 besitzt einen in lateraler, d.h. radialer Richtung variierenden Rand 523, der mit einem kreisförmigen Rand 524 eine laterale Erstreckung der Geberspur 521 und damit eine Breite 525 der Geberspur 521 bestimmt, die in Umfangsrichtung des Lagegeberelements 520 zwischen einer größten Breite 526 und einer geringsten Breite 527 variiert. Zum Zusammenwirken mit der Geberspur 521 ist eine Spulenanordnung 530 in Richtung der Rotationsachse 503 koaxial in einem axialen Abstand 535 vor der Geberspur 521 des Lagegeberelements 520 angeordnet, wie dies in 2 dargestellt ist, die grob schematisch eine Seitenschnittansicht der Anordnung nach 1 zeigt. Die Spulenanordnung 530 ist dabei in radialer Richtung so dimensioniert, dass eine Abdeckung der Geberspur 521 erfolgt, wie dies auch in 3 wiedergegeben ist, die eine Ansicht des Lagegeberelements 520 in Richtung der Rotationsachse 503 zeigt. In 4 ist dazu schematisch das Funktionsprinzip des Winkelpositionssensorsystems 510 dargestellt. Die Spulenanordnung 530 weist mehrere Sensorspulen auf, von denen in einem in 4 dargestellten Ausschnitt der Spulenanordnung 530 eine erste, zweite, dritte und vierte Sensorspule 531, 532, 533 bzw. 534 wiedergegeben sind, die entsprechend der Geberspur 521 in Umfangsrichtung des Lagegeberelements 520 und damit der Spulenanordnung 530 angeordnet sind. Aus jeder der Sensorspulen 531, 532, 533 bzw. 534 lässt sich ein Signal abgreifen, das durch Wirbelstromverluste gekennzeichnet ist, die von der Breite 525 der Geberspur 521 am Ort der betreffenden Sensorspule 531, 532, 533 bzw. 534 abhängig sind. Der Einfachheit der Darstellung halber ist in 4 diese Umfangsrichtung als eine gerade Linie in waagerechter Richtung ohne Krümmung wiedergegeben. Die Sensorspulen 531, 532, 533 und 534 weisen eine radiale Abmessung 536 auf, die größer ist als die größte Breite 526 der Geberspur 521. Dadurch wird bei einer radialen Fehljustierung 537 des Lagegeberelements 520 relativ zu den Sensorspulen 531, 532, 533 bzw. 534 an diesen im wesentlichen keine Signaländerung hervorgerufen, wodurch eine deutlich verbesserte Robustheit im Hinblick auf die Montage und mögliche geringfügige Lageänderungen des Lagegeberelements 520 während des Betriebs erreicht werden soll. From the publication DE 20 2011 000 228 U1 is a position sensor element for an inductive angle determination in rotary machines for attachment to a rotor of the machine for generating position-dependent eddy current losses in a rotor positioned by the defined distance sensor coil in response to a rotational movement of the rotor known. The position sensor element comprises a sensor track of electrically conductive material, which has a radially varying edge and a circular edge. In 1 is a roughly schematic, perspective exploded view of such, a stator 501 and one on the other hand about a rotation axis 503 rotatable rotor 502 having rotary machine 500 reproduced in which an angular position sensor system 510 with such a position sensor element 520 in the direction of the axis of rotation 503 coaxial in front of the rotor 502 is arranged. The position sensor element 520 has one on the rotor 502 attached basic body 522 and a sensor track arranged on its circumference 521 on. The encoder track 521 is constructed so that eddy current losses can be caused therein, wherein the size thereof with a current angular position of the position sensor element 520 and thus the rotor 502 is correlated. The encoder track 521 has a varying in lateral, ie radial direction edge 523 with a circular border 524 a lateral extension of the encoder track 521 and thus a width 525 the encoder track 521 determined in the circumferential direction of the position sensor element 520 between a maximum width 526 and a smallest width 527 varied. For interaction with the encoder track 521 is a coil arrangement 530 in the direction of the axis of rotation 503 coaxial at an axial distance 535 in front of the encoder track 521 the positioner element 520 arranged like this in 2 which is roughly schematically a side sectional view of the arrangement according to FIG 1 shows. The coil arrangement 530 is dimensioned in the radial direction so that a cover of the encoder track 521 takes place, as well as in 3 is reproduced, which is a view of the position sensor element 520 in the direction of the axis of rotation 503 shows. In 4 is schematically the functional principle of the angular position sensor system 510 shown. The coil arrangement 530 has several sensor coils, of which in an in 4 shown section of the coil assembly 530 a first, second, third and fourth sensor coil 531 . 532 . 533 respectively. 534 are reproduced according to the encoder track 521 in the circumferential direction of the position sensor element 520 and thus the coil arrangement 530 are arranged. From each of the sensor coils 531 . 532 . 533 respectively. 534 It is possible to pick up a signal that is characterized by eddy current losses that are different from the width 525 the encoder track 521 at the location of the relevant sensor coil 531 . 532 . 533 respectively. 534 are dependent. For the sake of simplicity of illustration, is in 4 this circumferential direction is reproduced as a straight line in the horizontal direction without curvature. The sensor coils 531 . 532 . 533 and 534 have a radial dimension 536 which is larger than the largest width 526 the encoder track 521 , This will cause a radial misalignment 537 the positioner element 520 relative to the sensor coils 531 . 532 . 533 respectively. 534 caused at this substantially no signal change, resulting in a significantly improved robustness with regard to the assembly and possible minor changes in position of the position sensor element 520 to be achieved during operation.

Die beschriebene Anordnung ist jedoch grundsätzlich gegenüber Positionsfehlern des Lagegeberelements 520 relativ zur Spulenanordnung 530 sehr anfällig. So wird die radiale Fehljustierung 537 des Lagegeberelements 520 bei der Anordnung nach DE 20 2011 000 228 U1 nur soweit ausgeglichen, wie der Grundkörper 522 nicht zum Nutzsignal beiträgt, wodurch ein restlicher Einfluss auf das Nutzsignal verbleibt. Insbesondere hat sich aber gezeigt, dass Schwankungen des axialen Abstands 535 zwischen der Spulenanordnung 530 und der Geberspur 521 des Lagegeberelements 520, wie sie zum Beispiel durch einen Justierfehler der Geberspur 521 in Richtung der Rotationsachse 503 und einen dadurch bedingten Schlag, d.h. unrunden Lauf, der Geberspur 521 auftreten, durch die bekannte Anordnung nicht ausgeglichen werden können. However, the described arrangement is fundamentally opposite to position errors of the position sensor element 520 relative to the coil assembly 530 very vulnerable. This is the radial misalignment 537 the positioner element 520 in the arrangement after DE 20 2011 000 228 U1 only balanced as far as the body 522 does not contribute to the useful signal, whereby a residual influence on the useful signal remains. In particular, it has been shown that variations in the axial distance 535 between the coil assembly 530 and the encoder track 521 the positioner element 520 , as for example by an adjustment error of the encoder track 521 in the direction of the axis of rotation 503 and a consequent blow, ie non-round running, the encoder track 521 occur, can not be compensated by the known arrangement.

Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer Vorrichtung der beschriebenen Art zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements eine verbesserte Kompensation von Fehljustierungen und unrundem Lauf sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu erreichen. Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage des drehbaren Bauelements zu schaffen, mit dem diese Kompensation von Fehljustierungen und unrundem Lauf erhalten wird. The invention has the object, in a device of the type described for detecting a rotational position of a rotatable component to achieve improved compensation of misalignments and non-round running both in the axial and in the radial direction. The invention further has the object to provide a method for detecting the rotational position of the rotatable component, with the this compensation is obtained from misalignments and out-of-round running.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend:

  • • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Sensorsignals eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Sensorspule ausgebildeten, induktiven Messaufnehmer,
  • • wenigstens ein mit dem drehbaren Bauelement, insbesondere dem Rotor der elektrische Maschine, drehbares, insbesondere synchron drehbares, Lagegeberelement, welches wenigstens eine in Umfangsrichtung des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichtete, elektrisch leitende Geberspur mit wenigstens einer entlang der Umfangsrichtung periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zu dieser gerichteten Erstreckung aufweist, wobei der wenigstens eine Messaufnehmer der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren variierende Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie
  • • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Kompensationssignals eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Kompensationsspule ausgebildeten, induktiven Kompensationsaufnehmer, der der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird,
  • • wobei in der Geberspur durch den wenigstens einen Messaufnehmer und/oder den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer das wenigstens eine Sensorsignal und/oder das wenigstens eine Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind.
This object is achieved by a device for detecting a rotational position of a rotatable component, in particular a rotor of an electrical machine, comprising:
  • At least one inductive sensor configured to provide at least one sensor signal, in particular with at least one sensor coil,
  • • At least one with the rotatable component, in particular the rotor of the electric machine, rotatable, in particular synchronously rotatable, position encoder element, which at least one in the circumferential direction of the position sensor element circumferentially aligned thereto, electrically conductive encoder track with at least one periodically varying along the circumferential direction, at least substantially transverse has to this directed extent, wherein the at least one sensor of the at least one encoder track at a predetermined distance opposite at least partially covers the varying extent at each position along the entire circumference of the position sensor element, and
  • At least one inductive Kompensationsaufnehmer configured to provide at least one compensation signal, in particular with at least one compensation coil, which is completely covered by the at least one encoder track at a predetermined distance opposite it at any position along the entire circumference of the position sensor element,
  • Wherein the at least one sensor and / or the at least one compensating signal influencing eddy currents can be induced in the encoder track by the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das drehbare Bauelement, dessen Drehlage detektiert werden soll, mit dem Lagegeberelement derart verbunden, dass beide eine zueinander streng korrelierte Drehung ausführen. Dies kann über eine Übersetzung, z.B. eines Getriebes, bevorzugt aber durch eine unmittelbare, starre Verbindung erfolgen. Das Lagegeberelement ist mit wenigstens einer umlaufenden, insbesondere entlang seines Umfangs umlaufenden, Geberspur ausgebildet, die elektrisch leitfähig ist. Die wenigstens eine Geberspur weist eine entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements, d.h. entlang einer Bewegungsrichtung, bevorzugt Drehrichtung, des Lagegeberelements periodisch variierende Erstreckung auf. Diese Erstreckung ist wenigstens im Wesentlichen quer zu der Umfangsrichtung des Lagegeberelements angeordnet, d.h. sie weist bezüglich einer Drehrichtung des Lagegeberelements in axiale und/oder radiale Richtung, soweit sie einen Beitrag zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Merkmale liefert. Der wenigstens eine Messaufnehmer ist der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend angeordnet, insbesondere ist er fest angeordnet. Dabei ist die Position des wenigsten einen Messaufnehmers derart festgelegt, dass der wenigstens eine Messaufnehmer die entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements variierende Erstreckung der wenigstens einen Geberspur an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements, d.h. in jeder Drehlage des Lagegeberelements, wenigstens teilweise überdeckt. Beim Ausführen einer Drehung des Lagegeberelements variiert diese Überdeckung gemäß der Variation der Erstreckung der wenigstens einen Geberspur, so dass der Grad dieser Überdeckung ein Maß für die zu detektierende Drehlage ist. Der wenigstens eine Messaufnehmer ist als induktiver Messaufnehmer, insbesondere mit wenigstens einer Sensorspule, ausgebildet. Wird in der dem wenigstens einen Messaufnehmer gegenüberliegenden Geberspur ein Wirbelstrom hervorgerufen, bewirkt dieser eine Änderung einer Impedanz, insbesondere einer Induktivität, des wenigstens einen Messaufnehmers. Diese Änderung ist abhängig vom vorbezeichneten Grad der Überdeckung zwischen der wenigstens einen Geberspur und dem wenigstens einen Messaufnehmer. Ein Messwert dieser Änderung der Impedanz oder ein durch die Änderung der Impedanz, insbesondere der Induktivität, hervorgerufene Strom oder Spannungsänderung bildet das wenigstens eine Sensorsignal, zu dessen Liefern der wenigstens eine Messaufnehmer eingerichtet ist.  In the device according to the invention, the rotatable component, whose rotational position is to be detected, connected to the position encoder element such that both perform a mutually strictly correlated rotation. This can be done via a translation, e.g. a transmission, but preferably done by a direct, rigid connection. The position sensor element is formed with at least one circumferential, in particular circumferential along its circumference, encoder track, which is electrically conductive. The at least one encoder track has one along the circumferential direction of the positioner element, i. along a direction of movement, preferably the direction of rotation, of the position sensor element periodically varying extent. This extension is at least substantially transverse to the circumferential direction of the position-sensing element, i. it points in the axial and / or radial direction with respect to a direction of rotation of the position sensor element, as far as it provides a contribution to the formation of the features according to the invention. The at least one sensor is arranged opposite the at least one encoder track at a predetermined distance, in particular it is fixedly arranged. In this case, the position of the at least one sensor is set such that the at least one sensor has the extent of the at least one sensor track varying along the circumferential direction of the position sensor element at any position along the entire circumference of the position sensor element, i. in each rotational position of the position sensor element, at least partially covered. When performing a rotation of the position sensor element, this overlap varies according to the variation of the extent of the at least one encoder track, so that the degree of this overlap is a measure of the rotational position to be detected. The at least one sensor is designed as an inductive sensor, in particular with at least one sensor coil. If an eddy current is produced in the encoder track opposite the at least one sensor, this causes a change in an impedance, in particular an inductance, of the at least one sensor. This change is dependent on the aforementioned degree of overlap between the at least one encoder track and the at least one sensor. A measured value of this change in the impedance or a current or voltage change caused by the change in the impedance, in particular the inductance, forms the at least one sensor signal to whose delivery the at least one sensor is set up.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner wenigstens ein, insbesondere mit wenigstens einer Kompensationsspule ausgebildeter, induktiver Kompensationsaufnehmer vorgesehen. Der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer ist ebenfalls der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend fest positioniert. Allerdings ist die Positionierung des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers abweichend von derjenigen des wenigstens einen Messaufnehmers nun so vorgenommen, dass der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer von der wenigstens einen Geberspur an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements, d.h. in jeder Drehlage des Lagegeberelements, vollständig überdeckt wird. Der Grad der Überdeckung und damit der Einfluss von in der wenigstens einen Geberspur hervorgerufenen Wirbelströmen ist somit von der Drehlage unabhängig. Eine Änderung einer Impedanz, insbesondere Induktivität, des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers durch eine Bewegung der wenigstens einen Geberspur tritt nur auf, wenn sich mit dieser Bewegung, d.h. der Drehung des Lagegeberelements, der vorbestimmte Abstand zwischen Geberspur und Kompensationsaufnehmer ändert. Ein auf gleiche Weise wie aus dem wenigstens einen Messaufnehmer gewonnenes Messsignal, das hier als Kompensationssignal bezeichnet ist, stellt somit ein Maß für die Änderung des vorbestimmten Abstands, d.h. für ein Unrundlaufen bzw. einen Schlag, des Lagegeberelements dar. Da das Lagegeberelement dasselbe Unrundlaufen, d.h. denselben Schlag, auch gegenüber dem wenigstens einen Messaufnehmer aufweist, ist das wenigstens eine Kompensationssignal ein direktes Maß für Fehler im wenigstens einen Sensorsignal und kann zum Kompensieren dieser Fehler unmittelbar herangezogen werden. In the device according to the invention at least one, in particular with at least one compensation coil formed, inductive Kompensationsaufnehmer is also provided. The at least one compensation sensor is also firmly positioned opposite the at least one encoder track at a predetermined distance. However, the positioning of the at least one Kompensationsaufnehmers different from that of the at least one sensor now made so that the at least one Kompensationsaufnehmer of the at least one encoder track at each position along the entire circumference of the position sensor element, that is completely covered in each rotational position of the position sensor element. The degree of overlap and thus the influence of induced in the at least one encoder track eddy currents is thus independent of the rotational position. A change in an impedance, in particular inductance, of the at least one compensation pickup due to a movement of the at least one pickup track only occurs if the predetermined distance between the pickup track and the pickup element is determined by this movement, ie the rotation of the position sensor element Compensation sensor changes. A measurement signal obtained in the same way as from the at least one sensor, which is here referred to as a compensation signal, thus represents a measure of the change of the predetermined distance, ie for a runout, of the position sensor element. ie has the same impact, even with respect to the at least one sensor, the at least one compensation signal is a direct measure of errors in at least one sensor signal and can be used directly to compensate for these errors.

Anders formuliert tastet der wenigstens eine Messaufnehmer sowohl die periodisch variierenden Erstreckungen der wenigstens einen Geberspur und damit die Drehlage des Lagegeberelements als auch die Lageabweichungen der wenigstens einen Geberspur ab, wobei die Lageabweichungen das wenigstens eine Sensorsignal verfälschen. Dahingegen tastet der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer ausschließlich die Lageabweichungen der Geberspur ab. Mit Hilfe des wenigstens eine Kompensationssignals können die Fehler aus dem wenigstens einen Sensorsignal unmittelbar eliminiert werden, wodurch auf einfache Weise eine hohe Messgenauigkeit bei der Detektion der Drehlage erhalten wird. In other words, the at least one sensor scans both the periodically varying extents of the at least one encoder track and thus the rotational position of the position sensor element as well as the position deviations of the at least one encoder track, the position deviations falsifying the at least one sensor signal. On the other hand, the at least one compensation sensor scans exclusively the position deviations of the encoder track. With the aid of the at least one compensation signal, the errors from the at least one sensor signal can be eliminated directly, whereby a high measurement accuracy in the detection of the rotational position is easily obtained.

Dabei ist es möglich, z.B. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Anordnung zu kombinieren, wie sie in der Druckschrift DE 20 2011 000 228 U1 beschrieben ist, um zusätzlich zu einer dort beschriebenen Maßnahme gegen eine radiale Fehljustierung des Lagegeberelements auch eine axialen Schlag desselben zu kompensieren. Bevorzugt sind erfindungsgemäß zwei oder mehrere Kompensationsaufnehmer einsetzbar, um sowohl einen axialen wie auch einen radialen Schlag des Lagegeberelements zu erfassen und kompensieren zu können. Damit wird auch die radiale Fehljustierung des Lagegeberelements durch die vorliegende Erfindung vollständig kompensiert und eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt. It is possible, for example, to combine the device according to the invention with an arrangement as described in the publication DE 20 2011 000 228 U1 is described, in addition to a measure described there against a radial misalignment of the position sensor element to compensate for an axial impact of the same. Preferably, according to the invention, two or more compensation sensors can be used in order to be able to detect and compensate for both an axial as well as a radial impact of the position-determining element. Thus, the radial misalignment of the position sensor element is completely compensated by the present invention and achieved a particularly high accuracy.

Die Erfindung ermöglicht somit eine einfache, platzsparende, robuste, kostengünstige und unmittelbare Fehlerkompensation bei Drehgebern, die vorteilhaft in der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik einsetzbar ist, insbesondere bei Synchronmaschinen, bevorzugt bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen. The invention thus enables a simple, space-saving, robust, cost-effective and immediate error compensation with rotary encoders, which can be used advantageously in motor vehicle drive technology, in particular in synchronous machines, preferably in permanent magnet synchronous machines.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Geberspur

  • • wenigstens einen ersten Bereich mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements gleichförmiger Gestaltung, insbesondere mit wenigstens einer, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichteten, entlang der Umfangsrichtung gleichförmigen Erstreckung, sowie
  • • wenigstens einen zweiten Bereich mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierender Gestaltung, insbesondere mit der wenigstens einen entlang der Umfangsrichtung periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichteten Erstreckung.
Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims. According to a preferred development of the device according to the invention, the encoder track comprises
  • At least one first region with a uniform configuration along the entire circumference of the position-determining element, in particular with at least one extension that is uniform along the circumferential direction, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position-determining element, and
  • At least one second region with a configuration varying periodically along the entire circumference of the position-determining element transversely to the circumferential direction of the position-determining element, in particular with the at least one extension that varies periodically along the circumferential direction and extends at least substantially transversely to the circumferential direction of the position-determining element.

Bevorzugt sind beide Bereiche wenigstens nahezu unmittelbar aneinandergrenzend entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements, d.h. entlang dessen Bewegungsrichtung, bevorzugt Drehrichtung, um das gesamte Lagegeberelement herum, insbesondere an oder in wenigstens nahezu unmittelbarer Nachbarschaft des Umfangs des Lagegeberelements, geführt, bevorzugt streifenförmig. Die Bereiche können dabei quer zur Umfangsrichtung bzw. Drehrichtung eine flächige Erstreckung rechtwinklig zu einer Drehachse des Lagegeberelements, d.h. eine Erstreckung in radialer Richtung, aufweisen, oder sie können sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse, erstrecken. Insbesondere der erste Bereich kann sich auch teilweise radial, teilweise axial erstrecken; z.B. kann er einen ringförmigen Streifen radialer Erstreckung und – bevorzugt daran angrenzend – einen zylindermantelförmigen Streifen axialer Erstreckung quer zur Drehrichtung aufweisen. Gegenüber jedem der Streifen kann dann je ein induktiver Kompensationsaufnehmer angeordnet sein, so dass sowohl ein axialer Schlag als auch ein radialer Schlag des Lagegeberelements erfassbar ist. Auch der zweite Bereich kann wahlweise eine axiale oder radiale Erstreckung aufweisen. Damit ist eine große Flexibilität in der Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben. Preferably, both regions are at least almost contiguous along the circumferential direction of the position-sensing element, i. along its direction of movement, preferably the direction of rotation, around the entire position-determining element, in particular at or in at least almost immediate vicinity of the circumference of the position-determining element, guided, preferably strip-shaped. The areas can thereby transverse to the circumferential direction or direction of rotation, a planar extension perpendicular to a rotational axis of the position sensor element, i. have an extent in the radial direction, or they may extend in the axial direction, i. in the direction of the axis of rotation, extend. In particular, the first region may also extend partially radially, partially axially; e.g. it may have an annular strip of radial extension and - preferably adjacent thereto - a cylinder jacket-shaped strip axial extent transverse to the direction of rotation. An inductive compensation sensor can then be arranged opposite each of the strips, so that both an axial impact and a radial impact of the position-determining element can be detected. Also, the second region may optionally have an axial or radial extent. This provides great flexibility in the construction of the device according to the invention.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung überdeckt der wenigstens eine Messaufnehmer in vorbestimmtem Abstand der wenigstens einen Geberspur gegenüberliegend deren wenigsten einen zweiten Bereich an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise. Diese wenigstens teilweise Überdeckung des zweiten Bereichs ist derart ausgebildet, dass der wenigstens eine Messaufnehmer die Variationen der Erstreckung des zweiten Bereichs entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements hinreichend, bevorzugt vollständig, erfasst. Besonders vorteilhaft ist eine völlige Überdeckung des zweiten Bereichs durch den wenigstens einen Messaufnehmer. Eine Überdeckung des ersten Bereichs ist dagegen nicht notwendig und daher nicht in jedem Fall vorgesehen. In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one sensor covers at least a predetermined distance of the at least one encoder track opposite at least partially a second region at each position along the entire circumference of the position sensor element. This at least partial overlap of the second region is formed such that the at least one sensor sufficiently, preferably completely, detects the variations of the extent of the second region along the circumferential direction of the position-determining element. Particularly advantageous is a complete coverage of the second area by the at least one sensor. A Overlapping of the first area, however, is not necessary and therefore not always provided.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer von dem wenigsten einen ersten Bereich der wenigstens einen Geberspur dieser in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt. Durch die Überdeckung, die unabhängig von der Drehlage des Lagegeberelements stets dieselbe ist, werden Einflüsse von Variationen der Erstreckung der Geberspur auf den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer einfach zuverlässig ausgeschlossen und wird somit die Erzeugung des wenigstens einen Kompensationssignals ausschließlich in Abhängigkeit vom Einfluss eines Schlags des Lagegeberelements sichergestellt. In accordance with a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one compensation sensor is completely covered by at least one first area of the at least one encoder track opposite it at a predetermined distance at each position along the entire circumference of the position-determining element. Due to the overlap, which is always the same regardless of the rotational position of the position sensor element, influences of variations of the extension of the encoder track on the at least one Kompensationsaufnehmer are simply reliably excluded and thus the generation of the at least one compensation signal is ensured exclusively in response to the influence of a shock of the position sensor element ,

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung variiert die entlang des Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierende Gestaltung der Geberspur, insbesondere deren wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichtete Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs der wenigstens einen Geberspur, entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements wenigstens nahezu sinusförmig, und der wenigstens eine Messaufnehmer überdeckt diese Gestaltung, insbesondere diese Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs, der wenigstens einen Geberspur im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements an jeder Position entlang dessen gesamten Umfangs vollständig. Durch eine solche sinusförmige oder wenigstens nahezu sinusförmige Gestaltung der wenigstens einen Geberspur ist auf einfache Weise mit dem wenigstens einen Messaufnehmer wenigstens ein wenigstens nahezu sinusförmiges Sensorsignal erzeugbar. Insbesondere sind dabei zwei um einen Phasenwinkel der periodisch variierenden Gestaltung der wenigstens einen Geberspur von 90° entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements gegeneinander versetzt angeordnete Messaufnehmer vorgesehen, die bei einer Bewegung des Lagegeberelements zwei gegeneinander um einen Phasenwinkel von 90° zeitlich versetzte Sensorsignale liefern, auch als Sinussignal und Cosinussignal bezeichnet. Aus diesen lässt sich besonders einfach und zuverlässig die Drehlage des Lagegeberelements bestimmen.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention along the circumference of the position sensor element varies transversely to the circumferential direction of the position encoder element periodically varying design of the encoder track, in particular whose at least one along the circumferential direction periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position sensor element directed extension, in particular at least a second region of the at least one encoder track, along the circumferential direction of the position sensor element at least almost sinusoidal, and the at least one sensor covers this design, in particular this extension, in particular the at least one second region, the at least one encoder track substantially transverse to the circumferential direction of the position sensor element at each Position completely along its entire circumference. By means of such a sinusoidal or at least nearly sinusoidal design of the at least one encoder track, at least one at least approximately sinusoidal sensor signal can be generated in a simple manner with the at least one sensor. In particular, two are provided offset by a phase angle of the periodically varying design of the at least one encoder track of 90 ° along the circumferential direction of the position sensor offset from each other sensors that provide two mutually offset by a phase angle of 90 ° sensor signals when moving the position sensor element, as Sinusoidal signal and cosine signal. From these, the rotational position of the position-determining element can be determined in a particularly simple and reliable manner.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung variiert die entlang des Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierende Gestaltung der Geberspur, insbesondere die wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichtete Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs der wenigstens einen Geberspur, entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements wenigstens nahezu sprungartig periodisch. Die Geberspur ist hier besonders einfach gestaltet. Besonders bevorzugt kann dabei eine Überdeckung zwischen der wenigstens einen Geberspur und dem wenigstens einen Messaufnehmer, die zwischen einer vollständigen Überdeckung und einem vollständigen Freiliegen des wenigstens einen Messaufnehmers, d.h. vollständigem Fehlen jeglicher Überdeckung, variiert. Vorteilhaft kann dazu der erste Bereich der wenigstens einen Geberspur gleichförmig entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements ausgebildet sein, wohingegen der zweite Bereich sprungartig gestaltete, vollständige Unterbrechungen aufweist in der Art einer sogenannten Chopper- bzw. Zerhackerscheibe. According to another embodiment of the device according to the invention along the circumference of the position sensor element varies transversely to the circumferential direction of the position encoder element periodically varying design of the encoder track, in particular the at least one along the circumferential direction periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position sensor element directed extension, in particular of the at least one second region of the at least one encoder track, along the circumferential direction of the position sensor element at least almost abruptly periodically. The encoder track is particularly simple here. In this case, an overlap between the at least one encoder track and the at least one sensor, which between a complete coverage and a complete exposure of the at least one sensor, that is to say a full coverage, may be particularly preferred. complete lack of any coverage varies. Advantageously, for this purpose, the first region of the at least one encoder track can be formed uniformly along the circumferential direction of the position sensor element, whereas the second region has sudden, complete interruptions in the manner of a so-called chopper or chopper disc.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der wenigstens eine Messaufnehmer und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers axial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur entlang einer zum drehbaren Bauelement und damit zum Lagegeberelement radial ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann vorteilhaft ein axialer Schlag des Lagegeberelements detektiert und kompensiert werden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der wenigstens eine Messaufnehmer und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers radial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur entlang einer koaxial in Umfangsrichtung des Lagegeberelements ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann vorteilhaft ein radialer Schlag des Lagegeberelements detektiert und kompensiert werden. Bevorzugt kann ferner bei den beiden vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers axial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet sein und kann wenigstens ein weiterer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers radial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet sein. Dadurch wird auf einfache Weise eine Kompensation sowohl von radial als auch von axial unrundem Lauf, d.h. sowohl von radialem als auch von axialem Schlag, des Lagegeberelements ermöglicht. In a preferred refinement of the device according to the invention, the at least one sensor and / or at least one of the at least one compensation sensor are arranged axially relative to the position sensor element, wherein the at least one sensor track is preferably arranged along a surface oriented radially relative to the rotatable component and thus to the position sensor element. With this arrangement, advantageously, an axial impact of the position sensor element can be detected and compensated. According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one sensor and / or at least one of the at least one compensation sensor are arranged radially relative to the position sensor element, whereby preferably the at least one sensor track is arranged along a surface aligned coaxially in the circumferential direction of the position sensor element. With this arrangement, a radial impact of the position sensor element can advantageously be detected and compensated. In addition, in the case of the two embodiments described above, at least one of the at least one compensation pickup can preferably be arranged axially with respect to the position-determining element, and at least one further of the at least one compensation pickup can be arranged radially with respect to the position-determining element. This easily compensates for both radially and axially non-circular travel, i. allows both radial and axial impact, the position sensor element.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Speisen des wenigstens einen Messaufnehmers und/oder des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, zum Ableiten des wenigstens einen Sensorsignals und/oder des wenigstens einen Kompensationssignals aus dem wenigstens einen Messaufnehmer und/oder dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer und zum Gewinnen eines die Drehlage wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals. Mit derartigen Erregerströmen und/oder -spannungen können die veränderlichen Impedanzen, insbesondere Induktivitäten, der Mess- bzw. der Kompensationsaufnehmer besonders einfach und präzise ermittelt und so die Sensor- bzw. Kompensationssignale gewonnen werden. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized by a control device for feeding the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular an alternating current and / or an alternating voltage, for deriving the at least one sensor signal and / or the at least one compensation signal from the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor and for obtaining a the rotational position reproducing error-compensated signal. With such excitation currents and / or voltages, the variable impedances, in particular inductances, of the measuring or compensating transducers can be determined in a particularly simple and precise manner and thus the sensor or compensation signals can be obtained.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte:

  • • Speisen wenigstens eines Messaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung,
  • • Speisen wenigstens eines Kompensationsaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung,
  • • Ableiten wenigstens eines Sensorsignals aus dem wenigstens einen Messaufnehmer,
  • • Ableiten wenigstens eines Kompensationssignals aus dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer,
  • • Korrigieren des wenigstens eines Sensorsignals mit dem wenigstens einen Kompensationssignal und dadurch Gewinnen wenigstens eines korrigierten Sensorsignals,
  • • Bilden eines die Drehlage wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals aus dem wenigstens einen korrigierten Sensorsignal.
The above-mentioned object is further achieved by a method for detecting a rotational position of a rotatable component, in particular a rotor of an electrical machine, comprising the steps:
  • Feeding at least one measuring transducer with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage,
  • Feeding at least one compensation sensor with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage,
  • Deriving at least one sensor signal from the at least one sensor,
  • Deriving at least one compensation signal from the at least one compensation sensor,
  • Correcting the at least one sensor signal with the at least one compensation signal and thereby obtaining at least one corrected sensor signal,
  • • Forming a rotational position reproducing, error-compensated signal from the at least one corrected sensor signal.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise eine präzise, fehlerkorrigierte Detektion der Drehlage des Bauelements. The method according to the invention enables in a simple manner a precise, error-corrected detection of the rotational position of the component.

Zusammengefasst wird durch die Erfindung somit insbesondere eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements mit verbesserter Kompensation axialer und radialer Fehljustierungen und unrunden Laufs geschaffen, die wenigstens einen wenigstens ein Sensorsignal liefernden induktiven Messaufnehmer, wenigstens ein mit dem Bauelement drehbares Lagegeberelement mit in Umfangsrichtung des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichteter, elektrisch leitender Geberspur mit entlang der Umfangsrichtung periodisch variierender, quer dazu gerichteter Erstreckung, wobei der Messaufnehmer der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie einen ein Kompensationssignal liefernden induktiven Kompensationsaufnehmer, der der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird, umfasst, wobei in der Geberspur durch Messaufnehmer und/oder Kompensationsaufnehmer das Sensorsignal und/oder Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind. Ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage mit dieser Vorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen. In summary, the invention thus provides, in particular, an apparatus for detecting a rotational position of a rotatable component with improved compensation of axial and radial misalignments and non-circular barrel, comprising at least one inductive sensor providing at least one sensor signal, at least one position encoder element rotating in the circumferential direction of the position encoder element circumferentially oriented, electrically conductive donor track along the circumferential direction periodically varying, transversely directed extension, the sensor of the encoder track at a predetermined distance opposite their extent at each position along the entire circumference of the position sensor element at least partially covers, and a compensating signal supplying inductive Kompensationsaufnehmer that of the encoder track at a predetermined distance opposite from this at any position along the entire circumference of the Lagegeberele is covered completely, wherein in the encoder track by the sensor and / or Kompensationsaufnehmer the sensor signal and / or compensation signal influencing eddy currents are inducible. A method for detecting the rotational position with this device is also proposed.

In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen: In the drawing, in which matching elements in all figures are given the same reference numerals and to which a repeated description of these elements is omitted, show:

1 in einer grob schematischen, perspektivischen Explosionsdarstellung eine einen Stator und einen demgegenüber um eine Rotationsachse drehbaren Rotor aufweisende Rotationsmaschine nach dem Stand der Technik, 1 in a roughly schematic perspective exploded view of a stator and a rotor about a rotation axis rotatable rotor having rotating machine according to the prior art,

2 grob schematisch eine Seitenschnittansicht der Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß 1, 2 roughly schematically a side sectional view of the arrangement according to the prior art according to 1 .

3 eine Ansicht des im Stand der Technik beschriebenen Lagegeberelements in Richtung der Rotationsachse, 3 a view of the position sensor element described in the prior art in the direction of the axis of rotation,

4 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Winkelpositionssensorsystems nach dem Stand der Technik, 4 a schematic representation of the principle of operation of the angular position sensor system according to the prior art,

5 ein Beispiel für zeitliche Verläufe von zwei Messaufnehmern abgegebener Sensorsignale, die durch einen unrunden Lauf des Lagegeberelements und dadurch hervorgerufene Schwankungen der Abstände zwischen den Messaufnehmern und dem Lagegeberelement gestört sind, aufgetragen über der Drehlage des Lagegeberelements, 5 an example of temporal courses of sensor signals emitted by two sensors, which are disturbed by an out-of-round run of the position-determining element and thus caused fluctuations in the distances between the sensors and the position-sensing element, applied over the rotational position of the position-sensing element,

6 ein erstes Beispiel für eine Gestaltung einer Geberspur, eingesetzt in einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 6 a first example of a design of a sensor track, used in a first embodiment of a device according to the invention,

7 ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs eines von einem erfindungsgemäßen Kompensationsaufnehmer abgegebenen Kompensationssignals, das die in 5 dargestellten Störungen der Sensorsignale wiedergibt, aufgetragen über der Drehlage des Lagegeberelements, 7 an example of a time course of a compensation signal output by a Kompensationsaufnehmer invention, the in 5 represented disturbances of the sensor signals plotted against the rotational position of the position sensor element,

8 eine grob schematische Veranschaulichung der wichtigsten Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, 8th a rough schematic illustration of the most important steps of an embodiment of the method according to the invention,

9 ein zweites Beispiel für eine Gestaltung eines Lagegeberelements mit einer Geberspur, eingesetzt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 9 a second example of a design of a position sensor element with a donor track, used in a second embodiment of a device according to the invention, and

10 ein drittes Beispiel für eine Gestaltung eines Lagegeberelements mit einer Geberspur, eingesetzt in einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 10 a third example of a design of a position sensor element with a donor track, used in a third embodiment of a device according to the invention.

Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben. The embodiments of the invention shown in the drawing will be described in more detail below.

In 5 ist ein Beispiel für zeitliche Verläufe zweier Sensorsignale UF1, UF2 dargestellt, die von zwei hier um 90° phasenversetzt angeordneten Messaufnehmern abgegeben werden. Die Sensorsignale UF1, UF2 sind über einer Drehlage P eines Lagegeberelements aufgetragen; bei einer kontinuierlichen Drehung des Lagegeberelements bzw. eines damit verbundenen, drehbaren Bauelements, wie bevorzugt eines Rotors einer elektrischen Maschine, stimmt diese Darstellung mit den zeitlichen Verläufen der Sensorsignale UF1, UF2 überein. Der Phasenversatz von 90° der beiden Sensorsignale UF1, UF2 untereinander ergibt sich aus einem räumlichen Versatz der Messaufnehmer gegeneinander um eine Viertelperiode einer periodischen Gestaltung des Lagegeberelements entlang dessen Bewegungsrichtung, bevorzugt Umfangsrichtung. Diese periodische Gestaltung ist in der Bewegungsrichtung des Lagegeberelements bevorzugt sinusförmig ausgebildet, wodurch sich für die Sensorsignale UF1, UF2 ebenfalls sinusförmige Verläufe über der Drehlage P ergeben. Ein erstes der Sensorsignale – UF1 – ist auch als Sinussignal, ein zweites – UF2 – als Cosinussignal bezeichnet. In 5 sind die Verläufe beispielhaft als Signalspannungen in Volt über der Drehlage P bzw. einem elektrischen Winkel in Radiant aufgetragen. Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass in 5 als Sensorsignale UF1, UF2 Amplituden einer höherfrequenten Wechselspannung aufgetragen sind, die zum Detektieren veränderlicher Impedanzen, insbesondere Induktivitäten, der Messaufnehmer verwendet wird. In 5 is an example of temporal courses of two sensor signals UF1, UF2 shown, which are delivered by two arranged here by 90 ° out of phase sensors. The sensor signals UF1, UF2 are applied over a rotational position P of a position sensor element; in a continuous rotation of the position sensor element or an associated, rotatable component, such as preferably a rotor of an electrical machine, this representation is consistent with the time profiles of the sensor signals UF1, UF2. The phase offset of 90 ° of the two sensor signals UF1, UF2 with each other results from a spatial offset of the sensor against each other by a quarter period of a periodic design of the position sensor element along the direction of movement, preferably circumferential direction. This periodic design is preferably sinusoidal in the direction of movement of the position sensor element, which also results in sinusoidal profiles over the rotational position P for the sensor signals UF1, UF2. A first of the sensor signals - UF1 - is also referred to as a sine signal, a second - UF2 - as a cosine signal. In 5 For example, the curves are plotted as signal voltages in volts above the rotational position P or an electrical angle in radians. For the sake of completeness it should be mentioned that in 5 are plotted as sensor signals UF1, UF2 amplitudes of a higher-frequency alternating voltage, which is used for detecting variable impedances, in particular inductances, the sensor.

Die Sensorsignale UF1, UF2 zeigen eine mit der Drehlage P schwankende Amplitude. Diese als Amplitudenmodulation auftretende Störung der Sensorsignale UF1, UF2 rührt von einem unrunden Lauf, d.h. Schlag, des Lagegeberelements und dadurch hervorgerufenen Schwankungen der Abstände zwischen den Messaufnehmern und dem Lagegeberelement her. The sensor signals UF1, UF2 show an amplitude that fluctuates with the rotational position P. This disturbance of the sensor signals UF1, UF2 occurring as amplitude modulation results from a non-round run, i. Shock, the position sensor element and thereby caused fluctuations in the distances between the sensors and the position sensor element ago.

Daraus ergeben sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Drehlage P aus den Verläufen der Sensorsignale UF1, UF2. This results in inaccuracies in the determination of the rotational position P from the courses of the sensor signals UF1, UF2.

6 zeigt grob schematisch zu einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 ein erstes Beispiel für eine Gestaltung einer Geberspur 110 eines Lagegeberelements 108. Die Geberspur 110 ist elektrisch leitend ausgebildet, so dass darin Wirbelströme hervorrufbar sind. Die Geberspur 110 ist am Lagegeberelement 108 entlang dessen Umfangsrichtung 111 angeordnet, z.B. entlang einer axialen Stirnfläche oder einer Mantelfläche eines wenigstens im Wesentlichen drehsymmetrischen Lagegeberelements 108. Entlang dieser Umfangsrichtung 111 weist die Geberspur 110 eine entlang der Umfangsrichtung 111 periodisch variierende, quer zu der Umfangsrichtung 111 gerichtete Erstreckung 112 auf, im vorliegenden Beispiel gebildet durch zwei sinusförmig gegenläufig geformte Berandungen 113, 114 der Geberspur 110. Die Vorrichtung 100 umfasst zwei Messaufnehmer 101, 102, die der Geberspur 110 in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend angeordnet sind. In der Darstellung der 6 ist dieser Abstand senkrecht zur Zeichenebene gerichtet. Die Messaufnehmer 101, 102 sind als induktive Messaufnehmer mit je einer flachen, spiralförmig gestalteten Sensorspule 103, 104 ausgebildet und dementsprechend in 6 symbolisch wiedergegeben. Diese Sensorspulen 103, 104 der Messaufnehmer 101, 102 überdecken hier die Geberspur 110 und damit deren quer zu der Umfangsrichtung 111 gerichtete, periodisch variierende Erstreckung 112 an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements 108 in der Richtung quer zur Umfangsrichtung 111 vollständig, d.h. die Sensorspulen 103, 104 weisen quer zur Umfangsrichtung 111 eine Abmessung auf, die einer größten Abmessung der Erstreckung 112, d.h. eines Abstandes zwischen den beiden Berandungen 113, 114 der Geberspur 110, gleich oder größer als diese ist, so dass die periodischen Variationen der Erstreckung 112 entlang der Umfangsrichtung 111 stets vollständig erfasst werden. Die Messaufnehmer 101, 102 sind mit einem räumlichen Versatz um eine Viertelperiode der Variationen der Erstreckung 112 entlang der Umfangsrichtung 111 des Lagegeberelements 108, d.h. entlang dessen Bewegungsrichtung, angeordnet. Dadurch ergibt sich der Phasenversatz der beiden von den Messaufnehmern 101, 102 gelieferten Sensorsignale UF1, UF2 von 90° untereinander. Entsprechend der Bezeichnung des vom ersten – 101 – der Messaufnehmer 101, 102 gelieferten ersten Sensorsignals UF1 als Sinussignal und des vom zweiten – 102 – der Messaufnehmer 101, 102 gelieferten zweiten Sensorsignals UF2 als Cosinussignal wird der erste Messaufnehmer 101 auch als einer Sinusspur zugeordnet und der zweite Messaufnehmer 102 auch als einer Cosinusspur zugeordnet bezeichnet. 6 shows roughly schematically a first embodiment of a device according to the invention 100 a first example of a design of a encoder track 110 a position sensor element 108 , The encoder track 110 is electrically conductive, so that eddy currents can be evoked therein. The encoder track 110 is at the position sensor element 108 along its circumferential direction 111 arranged, for example along an axial end face or a lateral surface of an at least substantially rotationally symmetrical position sensor element 108 , Along this circumferential direction 111 indicates the encoder track 110 one along the circumferential direction 111 periodically varying, transverse to the circumferential direction 111 directed extension 112 on, formed in the present example by two sinusoidal oppositely shaped boundaries 113 . 114 the encoder track 110 , The device 100 includes two sensors 101 . 102 that the dealer track 110 are arranged opposite each other at a predetermined distance. In the presentation of the 6 this distance is directed perpendicular to the plane of the drawing. The sensors 101 . 102 are as inductive sensors, each with a flat, spiral-shaped sensor coil 103 . 104 trained and accordingly in 6 symbolically reproduced. These sensor coils 103 . 104 the sensor 101 . 102 cover here the encoder track 110 and thus their transverse to the circumferential direction 111 directed, periodically varying extent 112 at any position along the entire circumference of the position-sensing element 108 in the direction transverse to the circumferential direction 111 complete, ie the sensor coils 103 . 104 have transverse to the circumferential direction 111 a dimension, the largest dimension of the extension 112 ie a distance between the two borders 113 . 114 the encoder track 110 , equal to or greater than this, so that the periodic variations of the extension 112 along the circumferential direction 111 always be fully recorded. The sensors 101 . 102 are with a spatial offset by a quarter period of the variations of the extension 112 along the circumferential direction 111 the positioner element 108 , ie arranged along the direction of movement. This results in the phase offset of the two of the sensors 101 . 102 supplied sensor signals UF1, UF2 of 90 ° with each other. According to the name of the first - 101 - the sensor 101 . 102 delivered first sensor signal UF1 as a sine wave signal and that of the second 102 - the sensor 101 . 102 supplied second sensor signal UF2 as a cosine signal is the first sensor 101 also assigned as a sinusoidal track and the second sensor 102 also referred to as a cosine track assigned.

6 zeigt ferner symbolisch einen induktiven Kompensationsaufnehmer 120, der insbesondere mit einer hier bevorzugt ebenfalls als flache, spiralförmig geformte Spule ausgestalteten Kompensationsspule 121 ausgebildet ist. Der Kompensationsaufnehmer 120 und damit die Kompensationsspule 121 ist ebenfalls der Geberspur 110 in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend angeordnet; bevorzugt stimmt dieser Abstand mit dem Abstand der Messaufnehmer 101, 102 zur Geberspur 110 wenigstens nahezu überein. Der Kompensationsaufnehmer 120 und damit die Kompensationsspule 121 werden dabei von der Geberspur 110 an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements 108 vollständig überdeckt, wozu die Kompensationsspule 121 quer zur Umfangsrichtung 111 eine Abmessung aufweist, die einer geringsten Abmessung der Erstreckung 112, d.h. eines Abstandes zwischen den beiden Berandungen 113, 114 der Geberspur 110, gleich oder kleiner als diese ist, so dass diese Überdeckung nicht durch die periodisch variierende Erstreckung 112 beeinflusst wird. 6 also shows symbolically an inductive compensation sensor 120 , which preferably also has a flat, spiral-shaped coil designed compensation coil 121 is trained. The compensation sensor 120 and thus the compensation coil 121 is also the encoder track 110 arranged opposite one another at a predetermined distance; Preferably, this distance is correct with the distance of the sensor 101 . 102 to the encoder track 110 at least nearly agree. The compensation sensor 120 and thus the compensation coil 121 are doing from the encoder track 110 at any position along the entire circumference of the position-sensing element 108 completely covered, including the compensation coil 121 transverse to the circumferential direction 111 has a dimension, the smallest dimension of the extension 112 ie a distance between the two borders 113 . 114 the encoder track 110 , equal to or less than this, so that this coverage is not due to the periodically varying extent 112 being affected.

Der Kompensationsaufnehmer 120 ist zum Liefern eines Kompensationssignals UK eingerichtet. Ein beispielhafter Verlauf dieses Kompensationssignals UK über der Drehlage P ist in 7 wiedergegeben. Bei einer Drehung des Lagegeberelements 108 entspricht die Darstellung nach 7 dem zeitlichen Verlauf des vom Kompensationsaufnehmer 120 abgegebenen Kompensationssignals UK. Das Kompensationssignal UK gibt die in 5 dargestellten Störungen der Sensorsignale UF1, UF2, d.h. deren Amplitudenmodulation bzw. -abweichungen, wieder. Insbesondere ist das Kompensationssignal UK dem Abstand zwischen der Kompensationsspule 121 und der Geberspur 110 proportional. Im idealen, fehler- bzw. störungsfreien Fall, in dem dieser Abstand exakt konstant ist, wäre auch das Kompensationssignal UK konstant. The compensation sensor 120 is set up to provide a compensation signal UK. An exemplary course of this compensation signal UK over the rotational position P is in 7 played. Upon rotation of the position sensor element 108 corresponds to the illustration after 7 the time course of the compensation sensor 120 delivered compensation signal UK. The compensation signal UK indicates the in 5 illustrated disturbances of the sensor signals UF1, UF2, ie their amplitude modulation or deviations, again. In particular, the compensation signal UK is the distance between the compensation coil 121 and the encoder track 110 proportional. In the ideal, error-free or interference-free case in which this distance is exactly constant, the compensation signal UK would also be constant.

8 zeigt eine grob schematische Veranschaulichung der wichtigsten Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem eine Korrektur bzw. Kompensation der Fehler des Abstands zwischen den Messaufnehmern 101, 102 und der Geberspur 110 erfolgt. Diese Fehlerkompensation bzw. -korrektur 130, auch als Normierung der fehlerbehafteten Sensorsignale UF1, UF2 bezeichnet, wird im Zusammenhang folgender, bevorzugter Verfahrensschritte vorgenommen:

  • • Im ersten Schritt werden die Messaufnehmer 101, 102 mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung gespeist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die größer als, insbesondere groß gegen, die Frequenz – auch als elektrische Frequenz bezeichnet – ist, mit der im Betrieb der Vorrichtung 100 die periodischen Variationen der Erstreckung 112 der Geberspur 110 an den Messaufnehmern 101, 102 vorbeigeführt werden.
  • • In einem zweiten Schritt wird in vergleichbarer Weise der Kompensationsaufnehmer 120 mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, gespeist.
  • • Im dritten Schritt werden die – noch fehlerbehafteten – Sensorsignale UF1, UF2 aus den Messaufnehmern 101, 102 abgeleitet.
  • • Entsprechend wird im vierten Schritt das Kompensationssignal UK aus dem Kompensationsaufnehmer 120 abgeleitet.
  • • Im fünften Schritt werden die fehlerbehafteten Sensorsignale UF1, UF2 mit dem Kompensationssignal UK korrigiert bzw. normiert oder fehlerkompensiert. Diese Normierung 130 kann durch additive oder multiplikative Verknüpfung der fehlerbehafteten Sensorsignale UF1, UF2 mit dem Kompensationssignal UK erfolgen. Dadurch werden ein erstes bzw. ein zweites korrigiertes Sensorsignal UKS1, UKS2 gewonnen.
  • • Im letzten Schritt wird das die Drehlage P wiedergebende, fehlerkompensierte Signal aus den beiden korrigierten Sensorsignalen UKS1, UKS2 gebildet.
8th shows a rough schematic illustration of the most important steps of an embodiment of the method according to the invention, with which a correction or compensation of the error of the distance between the sensors 101 . 102 and the encoder track 110 he follows. This error compensation or correction 130 , also referred to as normalization of the faulty sensor signals UF1, UF2, is carried out in connection with the following, preferred method steps:
  • • The first step will be the sensors 101 . 102 supplied with an excitation current and / or an excitation voltage. These are, in particular, an alternating current and / or an alternating voltage having a frequency which is greater than, in particular large, the frequency - also referred to as electrical frequency - with which during operation of the device 100 the periodic variations of extension 112 the encoder track 110 at the sensors 101 . 102 be passed.
  • • In a second step, the compensation sensor becomes comparable 120 with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage fed.
  • • In the third step, the - still faulty - sensor signals UF1, UF2 from the sensors 101 . 102 derived.
  • • Accordingly, in the fourth step, the compensation signal UK from the compensation sensor 120 derived.
  • In the fifth step, the error-prone sensor signals UF1, UF2 are corrected or normalized or error-compensated with the compensation signal UK. This standardization 130 can be done by additive or multiplicative linkage of the faulty sensor signals UF1, UF2 with the compensation signal UK. As a result, a first or a second corrected sensor signal UKS1, UKS2 are obtained.
  • In the last step, the error-compensated signal representing the rotational position P is formed from the two corrected sensor signals UKS1, UKS2.

In 9 ist grob schematisch ein zweites Beispiel für eine Gestaltung eines Lagegeberelements 208 mit einer Geberspur 210, eingesetzt in einem zweiten Ausführungsbeispiel 200 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, dargestellt. Das Lagegeberelement 208 ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und in 9 in einer axialen Ansicht, d.h. in einer Draufsicht in Richtung einer Rotationsachse 205, die senkrecht auf der Zeichenebene der 9 steht, gezeigt. Die Geberspur 210 ist in einer axialen Stirnfläche des Lagegeberelements 208 angeordnet, auf der die Rotationsachse 205 senkrecht steht. Die Geberspur 210 umfasst zwei konzentrisch angeordnete, in radialer Richtung des Lagegeberelements 208 aneinandergrenzende, ringförmige Bereiche 211, 212. Ein erster – 211 – dieser Bereiche 211, 212 weist eine durchgehende, elektrisch leitende Fläche auf, wohingegen ein zweiter – 212 – der Bereiche 211, 212 eine elektrisch leitende Fläche mit sprungartig gestalteten, vollständigen Unterbrechungen aufweist in der Art einer sogenannten Chopper- bzw. Zerhackerscheibe. In 9 is roughly schematically a second example of a design of a position sensor element 208 with a donor track 210 used in a second embodiment 200 a device according to the invention shown. The position sensor element 208 is essentially disc-shaped and in 9 in an axial view, ie in a plan view in the direction of a rotation axis 205 perpendicular to the plane of the drawing 9 stands, shown. The encoder track 210 is in an axial end face of the position sensor element 208 arranged on the axis of rotation 205 is vertical. The encoder track 210 comprises two concentrically arranged, in the radial direction of the position sensor element 208 contiguous, annular areas 211 . 212 , A first - 211 - these areas 211 . 212 has a continuous, electrically conductive surface, whereas a second - 212 - the areas 211 . 212 an electrically conductive surface with discontinuous designed, complete interruptions in the manner of a so-called chopper or chopper disk.

Ein erster – 201 – und ein zweiter – 202 – Messaufnehmer sind mit vorgegebenem Abstand gegenüber dem zweiten Bereich 212 der Geberspur 210 angeordnet, und zwar in einem räumlichen Versatz zueinander, der hier mit einer halben Periode der periodischen Gestaltung des zweiten Bereichs 212 des Lagegeberelements 208 entlang dessen Bewegungsrichtung, bevorzugt dessen Umfangsrichtung, 213 übereinstimmt. Demgemäß ergeben sich hier von den Messaufnehmern 201, 202 zwei Sensorsignale mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 180°. In einer Abwandlung dieser Vorrichtung 200 lassen sich die Messaufnehmer 201, 202 auch mit einem räumlichen Versatz zueinander, der mit einer Viertelperiode der periodischen Gestaltung des zweiten Bereichs 212 des Lagegeberelements 208 entlang dessen Bewegungsrichtung, bevorzugt dessen Umfangsrichtung, 213 übereinstimmt, anordnen, so dass die zwei Sensorsignale einen gegenseitigen Phasenversatz von 90° aufweisen. Die Überdeckung der Messaufnehmer 201, 202 mit der Geberspur 210 ist derart gewählt, dass die Messaufnehmer 201, 202 wechselweise von den elektrisch leitenden Teilen des zweiten Bereichs 212 und den Unterbrechungen dazwischen vollständig überdeckt werden, bzw. dass die Messaufnehmer 201, 202 die elektrisch leitenden Teile des zweiten Bereichs 212 und die Unterbrechungen dazwischen jeweils nur teilweise überdecken. Damit wird eine möglichst hohe Amplitude der Sensorsignale von den Messaufnehmern 201, 202 angestrebt. A first - 201 - and a second - 202 - Sensors are at a predetermined distance from the second area 212 the encoder track 210 arranged, in a spatial offset to each other, here with a half period of the periodic design of the second area 212 the positioner element 208 along its direction of movement, preferably its circumferential direction, 213 matches. Accordingly, here arise from the sensors 201 . 202 two sensor signals with a mutual phase offset of 180 °. In a modification of this device 200 let the sensors be 201 . 202 also with a spatial offset with each other, with a quarter period of the periodic design of the second area 212 the positioner element 208 along its direction of movement, preferably its circumferential direction, 213 match, so that the two sensor signals have a mutual phase offset of 90 °. The coverage of the sensors 201 . 202 with the encoder track 210 is chosen such that the sensors 201 . 202 alternately from the electrically conductive parts of the second region 212 and the interruptions in between are completely covered, or that the sensors 201 . 202 the electrically conductive parts of the second region 212 and overlap the interruptions in each case only partially. This is the highest possible amplitude of the sensor signals from the sensors 201 . 202 sought.

Ein Kompensationsaufnehmer 220 ist mit vorgegebenem Abstand, vorzugsweise demselben Abstand wie demjenigen der Messaufnehmer 201, 202 zur Geberspur 210, gegenüber dem ersten Bereich 211 der Geberspur 210 angeordnet und von diesem kontinuierlich überdeckt, so dass der Grad der Überdeckung keinen Einfluss auf ein vom Kompensationsaufnehmer 220 geliefertes Kompensationssignal hat. A compensation sensor 220 is at a predetermined distance, preferably the same distance as that of the sensor 201 . 202 to the encoder track 210 , opposite the first area 211 the encoder track 210 arranged and continuously covered by this, so that the degree of overlap does not affect one of the compensation sensor 220 has supplied compensation signal.

10 zeigt ein drittes Beispiel für eine Gestaltung eines Lagegeberelements 308 mit einer Geberspur 310, eingesetzt in einem dritten Ausführungsbeispiel 300 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die jedoch weitgehend mit dem zweiten Ausführungsbeispiel 200 der erfindungsgemäßen Vorrichtung übereinstimmt. Verändert ist lediglich die Lage und Anordnung des ersten Bereichs 311 der Geberspur 310, der sich nun mitsamt des Kompensationsaufnehmers 220 in der Form eines Außenrings radial außerhalb des zweiten Bereichs 212 befindet. 10 shows a third example of a design of a position sensor element 308 with a donor track 310 used in a third embodiment 300 a device according to the invention, however, largely with the second embodiment 200 the device according to the invention coincides. Only the location and arrangement of the first area is changed 311 the encoder track 310 , who now together with the compensation sensor 220 in the form of an outer ring radially outward of the second region 212 located.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P  Device for detecting the rotational position P
101101
Erster Messaufnehmer (Sinusspur) von 100 First sensor (sinus track) of 100
102102
Zweiter Messaufnehmer (Cosinusspur) von 100 Second sensor (Cosine track) of 100
103103
Sensorspule von 101 Sensor coil of 101
104104
Sensorspule von 102 Sensor coil of 102
108108
Lagegeberelement von 100 Positioning element of 100
110110
Geberspur von 108 Encoder track of 108
111111
Umfangsrichtung von 108, 208, 308 Circumferential direction of 108 . 208 . 308
112112
Gestaltung bzw. Erstreckung von 110 Design or extension of 110
113113
Erste sinusförmige Berandung von 110 First sinusoidal boundary of 110
114114
Zweite sinusförmige Berandung von 110, gegenläufig zu 113 Second sinusoidal boundary of 110 , in opposite directions 113
120120
Kompensationsaufnehmer von 100 Compensation sensor of 100
121121
Kompensationsspule von 120 Compensation coil of 120
130130
Normierung von UF1, UF2 mit UK zu UKS1, UKS2  Standardization of UF1, UF2 with UK to UKS1, UKS2
200200
Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P  Device for detecting the rotational position P
201201
Erster Messaufnehmer (Sinusspur) von 200, 300 First sensor (sinus track) of 200 . 300
202202
Zweiter Messaufnehmer (Cosinusspur) von 200, 300 Second sensor (Cosine track) of 200 . 300
205205
Rotationsachse von 208, 308 Rotation axis of 208 . 308
208208
Lagegeberelement von 200 Positioning element of 200
210210
Geberspur von 208 Encoder track of 208
211211
Erster Bereich von 210: gleichförmig First area of 210 : uniform
212212
Zweiter Bereich von 210, 310: periodisch variierendSecond area of 210 . 310 : periodically varying
220220
Kompensationsaufnehmer von 200, 300 Compensation sensor of 200 . 300
300300
Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P  Device for detecting the rotational position P
308308
Lagegeberelement von 300 Positioning element of 300
310310
Geberspur von 308 Encoder track of 308
311311
Erster Bereich von 310: gleichförmigFirst area of 310 : uniform
500500
Rotationsmaschine  rotary engine
501501
Stator  stator
502502
Rotor  rotor
503503
Rotationsachse  the rotation axis
510510
Winkelpositionssensorsystem  Angular position sensor system
520520
Lagegeberelement von 510 Positioning element of 510
521521
Geberspur von 520 Encoder track of 520
522522
Grundkörper von 520 Basic body of 520
523523
In lateraler, d.h. radialer Richtung variierender Rand von 521 In a lateral, ie radial, varying edge of 521
524524
Kreisförmiger Rand von 521 Circular edge of 521
525525
Breite von 521 Width of 521
526526
Größte Breite von 521 Largest width of 521
527527
Geringste Breite von 521 Smallest width of 521
530530
Spulenanordnung von 510 Coil arrangement of 510
531531
Erste Sensorspule von 530 First sensor coil of 530
532532
Zweite Sensorspule von 530 Second sensor coil of 530
533533
Dritte Sensorspule von 530 Third sensor coil of 530
534534
Vierte Sensorspule von 530 Fourth sensor coil of 530
535535
Axialer Abstand zwischen 530 und 521 von 520 Axial distance between 530 and 521 from 520
536536
Radiale Abmessung von 531 bis 534 Radial dimension of 531 to 534
537537
Radiale Fehljustierung von 520 Radial misalignment of 520
PP
Drehlage  rotational position
UF1UF1
Erstes Sensorsignal von 101 (Sinussignal), fehlerbehaftet First sensor signal from 101 (Sinusoidal signal), faulty
UF2UF2
Zweites Sensorsignal von 102 (Cosinussignal), fehlerbehaftet Second sensor signal from 102 (Cosine signal), faulty
UKUK
Kompensationssignal von 120 Compensation signal from 120
UKS1UKS1
Erstes Sensorsignal aus UF1 von 101 (Sinussignal), korrigiert First sensor signal from UF1 of 101 (Sinusoidal signal), corrected
UKS2UKS2
Zweites Sensorsignal aus UF2 von 102 (Cosinussignal), korrigiert Second sensor signal from UF2 of 102 (Cosine signal), corrected

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202011000228 U1 [0003, 0004, 0010] DE 202011000228 U1 [0003, 0004, 0010]

Claims (10)

Vorrichtung (100; 200; 300) zum Detektieren einer Drehlage (P) eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend: • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Sensorsignals (UF1, UF2) eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Sensorspule (103, 104) ausgebildeten, induktiven Messaufnehmer (101, 102; 201, 202), • wenigstens ein mit dem drehbaren Bauelement, insbesondere dem Rotor der elektrische Maschine, drehbares, insbesondere synchron drehbares, Lagegeberelement (108; 208; 308), welches wenigstens eine in Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108; 208; 308) daran umlaufend ausgerichtete, elektrisch leitende Geberspur (110; 210; 310) mit wenigstens einer entlang der Umfangsrichtung (111) periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zu dieser gerichteten Erstreckung (112) aufweist, wobei der wenigstens eine Messaufnehmer (101, 102; 201, 202) der wenigstens einen Geberspur (110; 210; 310) in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren variierende Erstreckung (112) an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (108; 208; 308) wenigstens teilweise überdeckt, sowie • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Kompensationssignals (UK) eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Kompensationsspule (121) ausgebildeten, induktiven Kompensationsaufnehmer (120; 220), der der wenigstens einen Geberspur (110; 210; 310) in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (108; 208; 308) vollständig überdeckt wird, • wobei in der Geberspur (110; 210; 310) durch den wenigstens einen Messaufnehmer (101, 102; 201, 202) und/oder den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer (120; 220) das wenigstens eine Sensorsignal (UF1, UF2) und/oder das wenigstens eine Kompensationssignal (UK) beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind. Contraption ( 100 ; 200 ; 300 ) for detecting a rotational position (P) of a rotatable component, in particular a rotor of an electrical machine, comprising: • at least one set up for supplying at least one sensor signal (UF1, UF2), in particular with at least one sensor coil ( 103 . 104 ), inductive sensors ( 101 . 102 ; 201 . 202 ), • at least one with the rotatable component, in particular the rotor of the electric machine, rotatable, in particular synchronously rotatable position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ), which at least one in the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ; 208 ; 308 ) circumferentially aligned, electrically conductive encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) with at least one along the circumferential direction ( 111 ) periodically varying, at least substantially transversely to this extension ( 112 ), wherein the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) the at least one encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) at a predetermined distance opposite their varying extent ( 112 ) at each position along the entire circumference of the position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ) at least partially covered, and • at least one adapted to provide at least one compensation signal (UK), in particular with at least one compensation coil ( 121 ), inductive Kompensationsaufnehmer ( 120 ; 220 ), the at least one encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) at a predetermined distance opposite it at any position along the entire circumference of the position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ) is completely covered, • where in the encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) by the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) and / or the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) that at least one sensor signal (UF1, UF2) and / or the at least one compensation signal (UK) influencing eddy currents are inducible. Vorrichtung (200; 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberspur (210; 310) • wenigstens einen ersten Bereich (211; 311) mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (208; 308) gleichförmiger Gestaltung, insbesondere mit wenigstens einer, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) gerichteten, entlang der Umfangsrichtung (111) gleichförmigen Erstreckung (112), sowie • wenigstens einen zweiten Bereich mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (208; 308) quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) periodisch variierender Gestaltung, insbesondere mit der wenigstens einen entlang der Umfangsrichtung (111) periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) gerichteten Erstreckung (112), umfasst. Contraption ( 200 ; 300 ) according to claim 1, characterized in that the encoder track ( 210 ; 310 ) At least a first area ( 211 ; 311 ) with along the entire circumference of the position sensor element ( 208 ; 308 ) of uniform design, in particular with at least one, at least substantially transversely to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 ), along the circumferential direction ( 111 ) uniform extension ( 112 ), and at least one second region along the entire circumference of the position-determining element ( 208 ; 308 ) transverse to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 ) periodically varying design, in particular with the at least one along the circumferential direction ( 111 ) periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 ) extension ( 112 ). Vorrichtung (200; 300) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Messaufnehmer (201, 202) in vorbestimmtem Abstand der wenigstens einen Geberspur (210; 310) gegenüberliegend deren wenigsten einen zweiten Bereich (212) an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (208; 308) wenigstens teilweise überdeckt. Contraption ( 200 ; 300 ) according to claim 2, characterized in that the at least one sensor ( 201 . 202 ) at a predetermined distance of the at least one encoder track ( 210 ; 310 ) opposite at least a second area ( 212 ) at each position along the entire circumference of the position sensor element ( 208 ; 308 ) at least partially covered. Vorrichtung (200; 300) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer (220) von dem wenigsten einen ersten Bereich (211; 311) der wenigstens einen Geberspur (210; 310) dieser in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements (208; 308) vollständig überdeckt wird. Contraption ( 200 ; 300 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one compensation sensor ( 220 ) of the least one first area ( 211 ; 311 ) the at least one encoder track ( 210 ; 310 ) this at a predetermined distance opposite at each position along the entire circumference of the position sensor element ( 208 ; 308 ) is completely covered. Vorrichtung (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang des Umfangs des Lagegeberelements (108) quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108) periodisch variierende Gestaltung der Geberspur (110), insbesondere deren wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung (111) periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108) gerichtete Erstreckung (112), insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs (212) der wenigstens einen Geberspur (110), entlang der Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108) wenigstens nahezu sinusförmig variiert und dass der wenigstens eine Messaufnehmer (101, 102) diese Gestaltung, insbesondere diese Erstreckung (112), insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs (212), der wenigstens einen Geberspur (110) im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108) an jeder Position entlang dessen gesamten Umfangs vollständig überdeckt. Contraption ( 100 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that along the circumference of the position sensor element ( 108 ) transverse to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ) periodically varying design of the encoder track ( 110 ), in particular at least one of them along the circumferential direction ( 111 ) periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ) extension ( 112 ), in particular of the at least one second area ( 212 ) the at least one encoder track ( 110 ), along the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ) varies at least nearly sinusoidally and that the at least one sensor ( 101 . 102 ) this design, in particular this extension ( 112 ), in particular of the at least one second area ( 212 ), which has at least one encoder track ( 110 ) substantially transversely to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ) completely covered at each position along its entire circumference. Vorrichtung (200; 300) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang des Umfangs des Lagegeberelements (208; 308) quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) periodisch variierende Gestaltung der Geberspur (210; 310), insbesondere die wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung (111) periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) gerichtete Erstreckung (112), insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs (212) der wenigstens einen Geberspur (210; 310), entlang der Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (208; 308) wenigstens nahezu sprungartig periodisch variiert. Contraption ( 200 ; 300 ) according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that along the circumference of the position sensor element ( 208 ; 308 ) transverse to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 Periodically varying design of Encoder track ( 210 ; 310 ), in particular the at least one along the circumferential direction ( 111 ) periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 ) extension ( 112 ), in particular of the at least one second area ( 212 ) the at least one encoder track ( 210 ; 310 ), along the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 208 ; 308 ) varies at least almost abruptly periodically. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Messaufnehmer (101, 102; 201, 202) und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers (120; 220) axial gegenüber dem Lagegeberelement (108; 208; 308) angeordnet sind, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur (110; 210; 310) entlang einer zum drehbaren Bauelement und damit zum Lagegeberelement (108; 208; 308) radial ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Contraption ( 100 ; 200 ; 300 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) and / or at least one of the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) axially relative to the position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ), wherein preferably the at least one encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) along a to the rotatable component and thus to the position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ) is arranged radially oriented surface. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Messaufnehmer (101, 102; 201, 202) und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers (120; 220) radial gegenüber dem Lagegeberelement (108; 208; 308) angeordnet sind, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur (110; 210; 310) entlang einer koaxial in Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements (108; 208; 308) ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Contraption ( 100 ; 200 ; 300 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) and / or at least one of the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) radially relative to the position sensor element ( 108 ; 208 ; 308 ), wherein preferably the at least one encoder track ( 110 ; 210 ; 310 ) along a coaxial in the circumferential direction ( 111 ) of the positioner element ( 108 ; 208 ; 308 ) is arranged aligned surface. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Speisen des wenigstens einen Messaufnehmers (101, 102; 201, 202) und/oder des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers (120; 220) mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, zum Ableiten des wenigstens einen Sensorsignals (UF1, UF2) und/oder des wenigstens einen Kompensationssignals (UK) aus dem wenigstens einen Messaufnehmer (101, 102; 201, 202) und/oder dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer (120; 220) und zum Gewinnen eines die Drehlage (P) wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals. Contraption ( 100 ; 200 ; 300 ) according to one or more of the preceding claims, characterized by a control device for feeding the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) and / or the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular an alternating current and / or an alternating voltage, for deriving the at least one sensor signal (UF1, UF2) and / or the at least one compensation signal (UK) from the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) and / or the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) and to obtain an error-compensated signal representing the rotational position (P). Verfahren zum Detektieren einer Drehlage (P) eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte: • Speisen wenigstens eines Messaufnehmers (101, 102; 201, 202) mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, • Speisen wenigstens eines Kompensationsaufnehmers (120; 220) mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, • Ableiten wenigstens eines Sensorsignals (UF1, UF2) aus dem wenigstens einen Messaufnehmer (101, 102; 201, 202), • Ableiten wenigstens eines Kompensationssignals (UK) aus dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer (120; 220), • Korrigieren des wenigstens eines Sensorsignals (UF1, UF2) mit dem wenigstens einen Kompensationssignal (UK) und dadurch Gewinnen wenigstens eines korrigierten Sensorsignals (UKS1, UKS2), • Bilden eines die Drehlage (P) wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals aus dem wenigstens einen korrigierten Sensorsignal (UKS1, UKS2). Method for detecting a rotational position (P) of a rotatable component, in particular a rotor of an electrical machine, comprising the steps of: • feeding at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ) with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage, • feeding at least one compensation sensor ( 120 ; 220 ) with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage, • deriving at least one sensor signal (UF1, UF2) from the at least one sensor ( 101 . 102 ; 201 . 202 ), Deriving at least one compensation signal (UK) from the at least one compensation sensor ( 120 ; 220 Correcting the at least one sensor signal (UF1, UF2) with the at least one compensation signal (UK) and thereby obtaining at least one corrected sensor signal (UKS1, UKS2), forming an error-compensated signal representing the rotational position (P) from the at least one corrected sensor signal (UKS1, UKS2).
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