DE102018110075A1

DE102018110075A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung einer Verstärkung an einem verbauten Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102018110075A1
Application number: DE102018110075.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich; Didier Zaegel; Jörg Merkle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Also published as: WO2019206368A1; DE112019002143A5; EP3784991A1; US11754643B2; US20210123987A1; KR20210002483A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Verstärkung an einem verbauten Magnetfeldsensors, insbesondere einem Rotorlagesensor eines Elektromotors, bei welchem ein Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors (9) von einer Auswerteeinheit (10) abgenommen und ausgewertet wird.
Bei einem Verfahren, bei welchem statische Toleranzen zwischen einem bereits verbauten Magneten und dem Magnetfeldsensor zuverlässig ausgeglichen werden können, gibt die auf einer Leiterplatte (8) positionierte Auswerteeinheit (10) nach Auswertung des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors (9) ein Signal zur Verstärkungseinstellung an den auf derselben Leiterplatte (8) positionierten Magnetfeldsensor (9) ab.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Verstärkung an einem verbauten Magnetfeldsensor, insbesondere einem Rotorlagesensor eines Elektromotors, bei welchem ein Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors von einer Auswerteeinheit abgenommen und ausgewertet wird, sowie eine Vorrichtung zur Einstellung einer Verstärkung in einem Magnetfeldsensor zum Betrieb eines Aktors.
Aus der DE 10 2013 211 041 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Elektromotors bekannt, bei welchem ein Positionssignal eines Rotors des Elektromotors von einer Magnetfeldsensorik abgenommen wird und von einer Auswerteeinheit hinsichtlich der Position des Elektromotors ausgewertet wird.
Es sind Kupplungsbetätigungssysteme bekannt, bei welchen eine Steuerelektronik in einem die Kupplung betätigenden Aktor integriert ist. Dabei ist die Auswerteeinheit, die zur Auswertung der Rotorlage und zur Ansteuerung bzw. Kommutierung eines Elektromotors vorgesehen ist, auf einer Leiterplatte angebracht. Das Sensorsystem zur Erfassung der Rotorposition ist mittels eines Magneten am Rotor und einem Magnetfeld-sensitiven Sensor aufgebaut. Durch den Aufbau des Aktors entstehen mechanische (statische) Toleranzen zwischen dem Magneten und dem Magnetfeld-sensitiven Sensorchip. Zusätzlich kommen noch dynamische Toleranzen durch Kräfte im Betrieb des Aktors hinzu. Um die Verstärkung des Ausgangssignales des Magnetfeld-sensitiven Sensors festzulegen, müssen beide Toleranzen statisch und dynamisch vorgehalten werden. Ein fester Verstärkungswert wird in Form eines Steigungswertes in der Auswerteeinheit vorprogrammiert und gespeichert.
Darüber hinaus ist bekannt, dass der Magnetfeld-sensitive Sensor mit einer digitalen Kommunikationsschnittstelle ausgebildet ist, wobei in den Sensor ein kleiner Mikroprozessor integriert ist, der über eine digitale Schnittstelle mit einem Mikroprozessor der Auswerteeinheit kommuniziert. Mittels dieser Ausführung kann zwar die Verstärkung des Magnetfeldsignales des Magnetfeld-sensitiven Sensors innerhalb eines Betriebes des Aktors variiert werden, allerdings werden zwei Mikrocontroller gebraucht, was höhere Kosten verursacht und nachteilig für die funktionelle Sicherheit des Systems ist.
In einer Alternative kann ein Sensor mit einer analogen Schnittstelle verwendet werden, wobei aber alle Toleranzen von allen möglichen Ausführungsformen von Aktoren für die Berechnung der Steigung für die Verstärkungseinstellung berücksichtigt werden müssen. Somit lässt sich die Verstärkung nicht zuverlässig für jeden Aktor voreinstellen. Eine zu große Steigung bei einem Aktor mit einem sehr kleinen Luftspalt kann den Sensor in eine Sättigung bringen. Eine zu geringe Steigung kann bei einem schwachen Nutzsignal ein sehr schlechtes Signal-Rauschverhältnis hervorrufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung einer Verstärkung an einem verbauten Magnetfeldsensor anzugeben, bei welchem wenigstens die statischen Toleranzen eines Aktorsystems zwischen Magnet und Magnetfeldsensor korrigiert werden können.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die auf einer Leiterplatte positionierte Auswerteeinheit nach Auswertung des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors ein Signal zur Verstärkungseinstellung an den auf derselben Leiterplatte positionierten Magnetfeldsensor abgibt. Dies hat den Vorteil, dass jederzeit unterschiedliche Verstärkungen eingestellt und somit sich ändernde statische Toleranzen zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor durch eine angepasste Verstärkungseinstellung korrigiert werden können, obwohl Magnetfeldsensor und Auswerteeinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte verbaut sind. Diese Anpassung ist besonders vorteilhaft, da eine Anpassung der Verstärkung des Sensorsignales erfolgt, auch wenn die Auswerteeinheit keine Programmierspannung bereitstellen kann.
Vorteilhafterweise wird das Signal zur Verstärkungseinstellung in einem ersten Schritt grobjustiert und einem zweiten Schritt feinjustiert. Somit kann bei der Inbetriebnahme des Aktors eine Grobjustierung erfolgen, da annähernd der Wert des Magnetfeldsignales des Magnetfeldsensors bekannt ist. Der zweite Schritt kann dabei über der Lebensdauer des Sensors eingestellt werden, um eine Magnetfeldabnahme des das zu sensierende Magnetfeld aufspannende Magneten über einen gewissen Zeitraum zu korrigieren.
In einer Ausgestaltung wird in einem ersten Schritt ein maximales Magnetfeldsignal bei einem minimalen Abstand des Magnetfeldsensors zu einem ein Magnetfeld erzeugenden Element und bei einer vorgegebenen Temperatur ermittelt. Daraus wird eine ideale Verstärkung bestimmt, die einen vorgegebenen Messbereich nicht übersteigt.
In einer Ausführung wird der erste Schritt nach einem erstmaligen Einbau des Magnetfeldsensors in eine Aktorik durchgeführt. Somit wird ein Ausgangspunkt für die Einstellung der Aktorik zur Ansteuerung beispielsweise einer Kupplungsaktorik ermöglicht.
In einer Variante wird der zweite Schritt in einem Ruhezustand der Aktorik während des Betriebes des Aktors in einem Antriebssystem durchgeführt. In einer solchen Ruhesituation, bei welcher beispielsweise keine Kraft auf die mechanischen Teile der Aktorik ausgeübt wird, lässt sich eine Anpassung der Verstärkung zur Ausbildung eines maximalen Magnetfeldsignales einfach durchführen.
Bei einer besonders einfachen Ausführung wird im Ruhezustand der Aktorik ein aktuelles Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors durch die Auswerteeinheit gemessen und mit dem maximalen Magnetfeldsignal verglichen, wobei in Abhängigkeit des Vergleiches das Signal zur Verstärkungseinstellung eingestellt wird.
In einer weiteren Variante wird bei einer Drehung eines einen Dauermagneten tragenden Rotors des Elektromotors eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors von der Auswerteeinheit ausgewertet, wobei ein erstes Signal zur Verstärkungseinstellung der Sinuskomponente und ein zweites Signal zur Verstärkungseinstellung der Kosinuskomponente an den Magnetfeldsensor über je einen Kanal ausgegeben wird. Somit lässt sich die Verstärkung an dem Magnetfeldsensor auch dann einstellen, wenn der Magnetfeldsensor nicht parallel zur Drehachse des Elektromotors angeordnet ist. In diesem Fall sind die Verstärkungskomponenten ungleich groß, können aber im Magnetfeldsensor auf das Maximum jeder der einzelnen Komponenten gesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Verstärkung an einem Magnetfeldsensor zum Betrieb eines Aktors, wobei der Aktor durch einen Elektromotor betätigbar ist und einen als Rotorlagesensor zur Bestimmung einer Position eines Rotors des Elektromotors ausgebildeten Magnetfeldsensors umfasst, wobei der Magnetfeldsensor mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Rotors des Elektromotors aus einem Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors verbunden ist. Bei einer Vorrichtung, bei welcher eine Verstärkung eines bereits im Aktor verbauten Magnetfeldsensors einstellbar ist, ist der Magnetfeldsensor und die anhand dem von dem Magnetfeldsensor ausgegebenen Magnetfeldsignal ein Signal zur Verstärkungseinstellung bestimmende Auswerteeinheit in dem Aktor auf einer gemeinsamen Leiterplatte positioniert, wobei über einen elektrischen Verbindungskanal zwischen der Auswerteeinheit und einem ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors das Signal zur Verstärkungseinstellung von der Auswerteeinheit zu dem Magnetfeldsensor übermittelbar ist.
Bei einer besonders kostengünstigen Vorrichtung sind die eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals auswertende Auswerteeinheit über einen ersten elektrischen Verbindungskanal mit einem ersten ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors zur Übertragung des ersten Signals zur Verstärkungseinstellung der Sinuskomponente des Magnetfeldsignals und über einen zweiten elektrischen Verbindungskanal mit einem zweiten ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors zur Übertragung des zweiten Signals der Verstärkungseinstellung der Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals verbunden. Da die Verstärkungswerte für die Sinus- bzw. Kosinuskomponente in der Auswerteeinheit bekannt sind, lässt sich somit eine einfache Voreinstellung ermöglichen, wobei diese Verstärkungskomponenten in der Winkelberechnung des Rotors aus den zwei Komponenten berücksichtigt werden kann.
In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor eine analoge Schnittstelle zur Verbindung mit der Auswerteeinheit auf. Somit kann ein analoges Signal einfach von der Auswerteeinheit zu einem ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors übertragen werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wie sie beispielsweise als Kupplungsaktor in einem Kupplungsbetätigungssystem eines Fahrzeuges eingesetzt wird. Der Kupplungsaktor 1 besteht aus einem Gehäuse 2, das mit einer Gehäuseabdeckung 3 abgeschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Elektromotor 4 angeordnet, welcher ein Planetenwälzgetriebe 5 antreibt, dessen Planetenwälzkörper 6 in eine Gewindespindel 7 eingreifen, wodurch die Drehbewegung des Elektromotors 4 in eine axiale Bewegung der Gewindespindel 7 umgewandelt wird. Senkrecht zur Gewindespindel 7 ist eine Leiterplatte 8 ausgebildet, auf welcher ein Magnetfeldsensor 9 und eine Auswerteeinheit 10 für das Magnetfeldsignal, welches von dem Magnetfeldsensor 9 ausgegeben wird, angeordnet sind. Der Magnetfeldsensor 9 steht in einer Wirkverbindung mit einem Magneten 11, der radial an einer Spitze der Gewindespindel 7, die dem Planetenwälzgetriebe 5 abgewandt ist, befestigt ist.
Im vorgegebenen Fall wird ein solcher Aktor betrachtet, bei welchem sowohl der Magnetfeldsensor 9 als auch die Auswerteeinheit 19 auf derselben Leiterplatte 8 verbaut sind und der Verbau der Leiterplatte 8 vor der Inbetriebnahme des Magnetfeldsensors 9 erfolgt. Um statische Toleranzen zwischen dem Magnetfeldsensor 9 und dem Magneten 11 zu korrigieren, wird eine Verstärkung des von dem Magnetfeldsensor 9 abgegebenen Magnetfeldsignales mithilfe der Auswerteeinheit 10 im verbauten Zustand korrigiert. Zu diesem Zweck wird, wie in 2 gezeigt ist, eine Verbindung 15 zwischen einem analogen Ausgang 12 der Auswerteeinheit 10 und einem unkontaktierten Eingang 13 des Magnetfeldsensors 9 hergestellt, über welchen ein Signal zur Verstärkungseinstellung an den Magnetfeldsensor 9 geliefert wird. Die erstmalige Verstärkungseinstellung erfolgt beim Inbetriebnahmeprozess des Aktors. Dabei wird der Rotor in Form der Gewindespindel 7 bewegt und am Ausgang U_out1 des Magnetfeldsensors 9 wird ein entsprechendes Magnetfeldsignal an die Auswerteeinheit 10 gesendet. Dieses Magnetfeldsignal entspricht annähernd einem maximalen Magnetfeldsignal, welches als Schwellwert in der Auswerteeinheit 10 vorgehalten ist. Durch einen Schwellwertvergleich ermittelt die Auswerteeinheit 10 eine ideale Verstärkung. Diese ideale Verstärkung wird im Neuzustand des Magnetfelssensors 9 bei annähernd 25° aufgenommen, wobei ein minimaler Abstand von Getriebespindel 7 und Magnet 11 vorausgesetzt wird. Diese Verstärkungseinstellung wird in der Auswerteeinheit10 abgespeichert und über den analogen Ausgang 12 an den Magnetfeldsensor 9 weitergegeben.
Hat der Aktor 1 den Betrieb aufgenommen, so kann es über die Lebensdauer des Magneten 11 zu einer Magnetfeldabnahme kommen, die durch die Anpassung der Verstärkung des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors 9 kompensiert wird. Diese Verstärkungsbestimmung wird in einer Ruhesituation des Aktors 1 durchgeführt, bei welcher keinerlei mechanische Kräfte auf die Gewindespindel 7 wirken. Auch hierbei wird das von dem Magnetfeldsensor 9 abgegebene Magnetfeldsignal durch die Auswerteeinheit 10 ausgewertet und mit dem bei der Inbetriebnahme abgespeicherten maximalen Magnetfeldsignal verglichen. Aus der Differenz zwischen diesen beiden Signalen wird ein Signal zur Verstärkungseinstellung ermittelt, welches über den analogen Ausgang 12 an den analogen Sensoreingang 13 des Magnetfeldsensors 9 weitergeleitet wird, wobei der Magnetfeldsensor 9 das Magnetfeldsignal entsprechend verstärkt.
Ist das Sensorsystem nicht in der Drehachse der Gewindespindel 7 angeordnet, so weist die Verstärkung zwei Verstärkungsfaktoren auf, die nicht gleich groß sind. Dabei werden die Sinuskomponente und die Kosinuskomponente des Magnetfeldsignales getrennt von der Auswerteeinheit 10 ausgewertet und einzeln mit einer vorgegebenen Verstärkung verglichen. Die Verstärkungswerte für das Kosinussignal und das Sinussignal werden auf nicht weiter dargestellten verschiedenen Übertragungskanälen an den Magnetfeldsensor 9 übertragen, wobei jeder Verstärkungskanal an einen nicht weiter genutzten Eingang 13 des Magnetfeldsensors 9 eingegeben wird. Somit kann bei einem verbauten Magnetfeldsensor 9, auch bei fehlender Bereitstellung einer Programmierspannung durch die Auswerteeinheit 10, die Verstärkung des Magnetfeldsignales des Magnetfeldsensor 9 entsprechend variiert werden, wodurch eine zuverlässige Positionsbestimmung der Gewindespindel 7 des Aktors 1 möglich wird.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsaktor
2: Gehäuse
3: Gehäuseabdeckung
4: Elektromotor
5: Planetenwälzgetriebe
6: Planetenwälzkörper
7: Gewindespindel
8: Leiterplatte
9: Magnetfeldsensor
10: Auswerteeinheit
11: Magnet
12: analoger Ausgang der Auswerteeinheit
13: unkontaktierter Eingang des Magnetfeldsensors
14: Verbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013211041 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Einstellung einer Verstärkung an einem verbauten Magnetfeldsensors, insbesondere einem Rotorlagesensor eines Elektromotors, bei welchem ein Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors (9) von einer Auswerteeinheit (10) abgenommen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Leiterplatte (8) positionierte Auswerteeinheit (10) nach Auswertung des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors (9) ein Signal zur Verstärkungseinstellung an den auf derselben Leiterplatte (8) positionierten Magnetfeldsensor (9) abgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal zur Verstärkungseinstellung in einem ersten Schritt grobjustiert und in einem zweiten Schritt feinjustiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt ein maximales Magnetfeldsignal bei einem minimalen Abstand des Magnetfeldsensors (9) zu einem ein Magnetfeld erzeugenden Element (11) und bei einer vorgegebenen Temperatur ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt nach einem Einbau des Magnetfeldsensors (9) in eine Aktorik (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt in einem Ruhezustand der Aktorik (1) während des Betriebes der Aktorik (1) in einem Antriebssystem durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand der Aktorik (1) ein aktuelles Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors (9) durch die Auswerteeinheit (10) gemessen und mit dem maximalen Magnetfeldsignal verglichen wird, wobei in Abhängigkeit des Vergleichs des Signals zur Verstärkungseinstellung eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehung eines einen Dauermagneten (11) tragenden Rotors (7) des Elektromotors (4) eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals des Magnetfeldsensors (9) von der Auswerteeinheit (10) ausgewertet werden, wobei ein erstes Signal zur Verstärkungseinstellung der Sinuskomponente und ein zweites Signal zur Verstärkungseinstellung der Kosinuskomponente an den Magnetfeldsensor (9) über zwei getrennte Kanäle (14) ausgegeben werden.
Vorrichtung zur Einstellung einer Verstärkung an einem Magnetfeldsensor zum Betrieb eines Aktors, wobei der Aktor (1) durch einen Elektromotor (4) betätigbar ist und einen als Rotorlagesensor (9) zur Bestimmung einer Position des Rotors (7) des Elektromotors (4) ausgebildeten Magnetfeldsensor (9) umfasst, wobei der Magnetfeldsensor (9) mit einer Auswerteeinheit (10) zur Bestimmung der Position des Rotors (7) des Elektromotors (4) aus einem Magnetfeldsignal des Magnetfeldsensors (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) und die anhand der von dem Magnetfeldsensor (9) ausgegebenen Magnetfeldsignale ein Signal zur Verstärkungseinstellung bestimmende Auswerteeinheit (10) in dem Aktor (1) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (8) positioniert sind, wobei über einen elektrischen Verbindungskanal (14) zwischen der Auswerteeinheit (10) und einem ungenutzten Anschluss (13) des Magnetfeldsensors (9) das Signal zur Verstärkungseinstellung von der Auswerteeinheit (10) zu dem Magnetfeldsensor (9) übermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Sinuskomponente und eine Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals auswertende Auswerteeinheit (10) über einen ersten elektrischen Verbindungskanal zu einem ersten ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors zur Übertragung des ersten Signals zur Verstärkungseinstellung der Sinuskomponente des Magnetfeldsignals und über einen zweiten elektrischen Verbindungskanal mit einem zweiten ungenutzten Anschluss des Magnetfeldsensors (9) zur Übertragung des zweiten Signals der Verstärkungseinstellung der Kosinuskomponente des Magnetfeldsignals verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor eine analoge Schnittstelle (13) zur Verbindung mit der Auswerteeinheit (10) aufweist.