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Die Erfindung betrifft eine induktive Positionsbestimmung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung einer relativen Position eines beweglichen Elements gegenüber einem festen Element an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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An einem Kraftfahrzeug ist ein Wählhebel zur Beeinflussung einer in einem Getriebe eingelegten Gangstufe vorgesehen. Der Wählhebel kann durch den Fahrer in unterschiedliche Positionen gebracht werden, wobei der Wählhebel in einer Kulisse geführt sein kann. Die Position des Wählhebels entlang der Kulisse wird abgetastet und gegebenenfalls elektronisch verarbeitet. Eine Steuereinrichtung kann dann das Getriebe auf der Basis des durch die Position des Wählhebels ausgedrückten Fahrerwunschs steuern.
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Zur Positionsbestimmung können an einer Konsole eine Reihe induktiver Spulen und am Wählhebel ein Flusselement angebracht werden. Die Spulen werden zur Bereitstellung elektromagnetischer Felder angeregt und Induktivitäten der Spulen werden bestimmt. Das Flusselement beeinflusst die Induktivität einer nahe gelegenen Spule, sodass die Position des Wählhebels aufgrund der bestimmten Induktivitäten bestimmt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur induktiven Positionsbestimmung anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Sensoranordnung ein Flusselement, das entlang einer Trajektorie beweglich angebracht ist; eine erste, eine zweite und eine dritte Flachspule, die nebeneinander in einer Fläche parallel zur Trajektorie angeordnet sind; und eine Auswerteeinrichtung. Die Flachspulen sind derart geformt, dass die Induktivität jeder Flachspule von einer Position des Flusselements entlang der Trajektorie abhängig ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, Positionen des Flusselements bezüglich Induktivitäten der einzelnen Flachspulen zu bestimmen und eine Position des Flusselements auf der Basis wenigstens zweier übereinstimmender bestimmter Positionen bereitzustellen.
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Mit der Sensoranordnung können praktisch beliebig viele Positionen des Flusselements bestimmt werden. Es ist nicht notwendig, einer zu bestimmenden Position eine Flachspule zuzuordnen. Eine Anzahl und/oder Lage von zu bestimmenden Positionen kann frei gewählt und zu einem beliebigen Zeitpunkt verändert werden. Die Sensoranordnung kann flexibel für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt werden und zu erkennende Positionen können bei Bedarf kalibriert werden. Die Sensoranordnung kann beispielsweise für einen Wählhebel zur Beeinflussung einer in einem Getriebe eingelegten Getriebestufe eingesetzt werden. Der Wählhebel kann dabei beispielsweise in fünf Positionen gebracht werden, die mit S, D, N, P und R bezeichnet sein können. Gegenüber einer Lösung mit zu den Positionen zugeordneten Flachspulen kann eine Größe der Fläche, die von Flachspulen bedeckt ist, stark verkleinert werden. Eine Robustheit der Sensoranordnung kann gesteigert und Herstellungskosten können gesenkt sein.
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Durch Bestimmung der Position des Flusselements mittels dreier Flachspulen kann eine Redundanz geschaffen sein, die einen Betrieb der Sensoranordnung auch dann erlaubt, wenn eine der Flachspulen ausfallen sollte, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung des Spulendrahts.
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Die Trajektorie ist bevorzugt eine Strecke und die Fläche ist bevorzugt eben. Ein Abstand zwischen der Fläche und der Trajektorie ist weiter bevorzugt konstant. Die Trajektorie kann auch entlang einer Kurve verlaufen, der dann bevorzugt auch die Fläche mit konstantem Abstand folgt.
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Bevorzugt sind die Flachspulen derart geformt, dass jeweils die Größe eines vom Flusselement abgedeckten Bereichs einer Flachspule in der Fläche von der Position des Flusselements entlang der Trajektorie abhängig ist. Der durch das Flusselement abgedeckte Bereich kann anhand einer Projektion des Flusselements auf die Fläche bestimmt werden. Bevorzugt ist der gesamte Bereich, den das Flusselement über seine verschiedenen Positionen in der Fläche abdecken kann, durch eine der Flachspulen abgedeckt. Je größer der vom Flusselement abgedeckte Bereich einer Flachspule ist, desto stärker kann sein Einfluss auf deren Induktivität sein. Durch Verknüpfung des abgedeckten Bereichs einer Flachspule mit der Position kann die Induktivität der Flachspule von der Position des Flusselements abhängig sein, sodass die Position auf der Basis der Induktion bestimmt werden kann.
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Die Trajektorie erstreckt sich üblicherweise zwischen einem Startpunkt und einem Endpunkt. Eine Breite der ersten und der dritten Flachspule quer zur Trajektorie kann vom Startpunkt aus jeweils abnehmen, während eine Breite der zweiten Flachspule vom Startpunkt aus zunehmen kann. Dadurch können die Flachspulen verbessert kompakt angeordnet werden. Die erste und die dritte Flachspule können so beschaffen sein, dass ihre Induktivitäten einander unabhängig von der Position des Flusselements entsprechen.
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Die zweite Flachspule kann in einer Richtung quer zur Trajektorie zwischen der ersten und der dritten Flachspule liegen. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauform der Flachspulen realisiert werden. Eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Flachspulen kann außerdem verringert sein.
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Die Flachspulen decken bevorzugt zusammen eine rechteckige Fläche ab. Dadurch können die Flachspulen kompakt aufgebaut sein und gemeinsam leicht angeordnet oder verbaut werden. Das Flusselement kann ebenfalls eine rechteckige Form aufweisen, wobei Breiten des Flusselements und der rechteckigen Fläche gleich sein können und eine Länge des Flusselements in Richtung der Trajektorie bevorzugt kleiner als die Länge der rechteckigen Fläche ist.
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Eine Flachspule umfasst üblicherweise mehrere Windungen, die in der Fläche liegen. Eine innerste Windung kann die Form eines Dreiecks haben und weiter außen liegende Windungen können jeweils konstanten Abstand zur nächsten weiter innen liegenden Windung aufweisen. Dadurch können alle Windungen außer der innersten jeweils die Form eines Trapezes aufweisen. Man kann auch von einer trapezförmigen Flachspule sprechen.
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In einer Ausführungsform haben die innersten Windungen der ersten und der dritten Flachspule jeweils die Form eines rechtwinkligen Dreiecks und die innerste Windung der zweiten Flachspule hat die Form eines gleichwinkligen Dreiecks. Die äußeren Windungen der ersten und der dritten Flachspule haben dann im Wesentlichen jeweils die Form eines rechtwinkligen Trapezes und die äußeren Windungen der zweiten Flachspule die eines im Wesentlichen gleichschenkligen, symmetrischen Trapezes.
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Breiten der Flachspulen entlang der Trajektorie verlaufen bevorzugt jeweils streng monoton. Dadurch können sich die Induktivitäten der Flachspulen auch streng monoton über die Position des Flusselements entlang der Trajektorie entwickeln. Eine eindeutige Bestimmung der Position des Flusselements auf der Basis der Induktivität einer Flachspule kann dadurch ermöglicht sein.
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Eine der Flachspulen kann mehrere Ebenen umfassen. Die Ebenen können entlang einer Abstandsrichtung der Trajektorie zur Fläche angeordnet sein. Praktisch kann eine Flachspule als Print-Spule in Form einer Leiterbahn auf einer Platine gebildet werden. Um mehrere Ebenen zu umfassen, können Spulen auf mehreren Lagen der Platine gebildet und elektrisch miteinander verschaltet werden, um eine Flachspule zu bilden. Dabei weisen die Spulen auf den verschiedenen Lagen üblicherweise gleiche Formen, Flächen und Windungsrichtungen auf.
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Das Flusselement kann ein elektrisch leitfähiges Element umfassen, das sich insbesondere parallel zur Fläche erstreckt. Das leitfähige Element kann die Induktivität einer Flachspule, in deren elektromagnetischem Feld es sich befindet, verringern und so als Dämpfungselement wirken. Dabei nimmt das Flusselement Energie aus dem elektromagnetischen Feld auf und bildet Wirbelströme im elektrisch leitfähigen Material. In einer anderen Ausführungsform kann ein Flusselement verwendet werden, das die Induktivität einer Flachspule erhöht, wenn es sich in ihrem elektromagnetischen Feld befindet. Das Flusselement ist dabei bevorzugt aus einem elektrisch schlecht leitenden, ferrimagnetischen Material wie Ferrit oder Eisen gefertigt.
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Die Auswerteeinrichtung kann eine Verarbeitungseinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein im Folgenden beschriebenes Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auch auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Sensoranordnung übertragen werden oder umgekehrt.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Flusselements in einer hierin beschriebenen Sensoranordnung. Dabei umfasst das Verfahren Schritte des Bestimmens von Induktivitäten der Flachspulen; des Bestimmens von Positionen des Flusselements jeweils bezüglich einer der bestimmten Induktivitäten; und des Bereitstellens einer Position des Flusselements auf der Basis von wenigstens zwei einander entsprechenden der bestimmten Positionen.
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Entsprechen die drei bestimmten Positionen einander, so kann die Position des Flusselements auf der Basis aller drei Positionen bestimmt werden. Einander entsprechende Positionen weichen üblicherweise aufgrund von Imperfektion bei der Bestimmung leicht voneinander ab. Das Bereitstellen der Position kann beispielsweise das Bilden eines Minimums, eines Maximums, eines Mittelwerts der bestimmten Positionen oder die Auswahl einer der bestimmten Position umfassen, die einer vorbestimmten der drei Flachspulen zugeordnet ist. Entsprechen nur zwei der Positionen einander, so kann die Position des Flusselements auf der Basis dieser beiden bestimmten Positionen bestimmt werden.
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In einer allgemeinen Ausführungsform sind N Flachspulen im Bereich des Flusselements vorgesehen, wobei bevorzugt N > 2 gilt und N weiter bevorzugt ungerade ist. Die Position des Flusselements kann dann bezüglich einer Mehrheit einander entsprechender Positionen bestimmt werden, die jeweils einer der Flachspulen zugeordnet sind. Die Sensoranordnung kann allgemein auch nach Ausfall von N-2 Flachspulen weiter die Position des Flusselements bestimmen. Aus Platzgründen und einer zu erwartenden Wahrscheinlichkeit des Ausfalls von mehr als einer Flachspule zur gleichen Zeit wird vorgeschlagen, N=3 zu wählen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann eine defekte Flachspule bestimmt werden, falls die auf der Basis ihrer Induktivität bestimmte Position von einander entsprechenden Positionen abweicht, die auf der Basis der anderen Flachspulen bestimmt wurden. Ein Signal oder eine Nachricht, die auf die defekte Flachspule hinweist, kann bereitgestellt werden. Die defekte Flachspule kann vom weiteren Betrieb der Sensoranordnung ausgeschlossen werden. Die Sensoranordnung kann zumindest solange weiter betrieben werden, wie keine weitere der Flachspulen als defekt bestimmt wird.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens
darstellt.
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1 zeigt in einem oberen Bereich ein System 100 mit einer Sensoranordnung 105, und in einem unteren Bereich eine Darstellung 110 von Zusammenhängen an der Sensoranordnung 105. Die Sensoranordnung 105 ist dazu eingerichtet, die Position eines ersten Elements gegenüber einem zweiten Element zu bestimmen. Bevorzugt ist die Sensoranordnung 105 dazu eingerichtet, an Bord eines Kraftfahrzeugs dazu eingesetzt zu werden, die Position eines Wählhebels 115 zu bestimmen, den ein Fahrer betätigen kann, um die Wahl einer eingelegten Gangstufe in einem Getriebe in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zu beeinflussen.
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Die Sensoranordnung 105 umfasst eine erste Flachspule L1, eine zweite Flachspule L2 und eine dritte Flachspule L3, die nebeneinander in einer Fläche 120 liegen, die bevorzugt eben ist. Vorliegend erstreckt sich die Fläche 120 in einer x-y-Ebene, die der Papierebene entspricht. Eine z-Achse erstreckt sich vertikal auf den Betrachter zu. Versetzt entlang der z-Achse ist ein Flusselement 125 angebracht, das entlang einer vorbestimmten Trajektorie 130 verschiebbar ist. In der dargestellten Ausführungsform fällt die Trajektorie 130 mit der x-Achse zusammen. Die Fläche 120 ist bevorzugt rechteckig und weist Kanten auf, die sich parallel zur x-Achse oder zur y-Achse erstrecken. Das Flusselement 125 ist in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls rechteckig und umfasst Kanten, die paarweise parallel zu Kanten der Fläche 120 verlaufen.
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Die Flachspulen L1-L3 können auf einem Träger 135 angebracht sein, um eine separat handhabbare Einheit zu bilden. Der Träger 135 kann an einer Konsole angebracht sein und der Wählhebel 115 kann mit dem Flusselement 125 verbunden sein, sodass das Flusselement 125 gegenüber den Flachspulen L1-L3 entlang der Trajektorie 130 verschoben wird, wenn der Wählhebel 115 gegenüber der Konsole bewegt wird. Rein beispielhaft kann der Wählhebel 115 fünf Positionen 140 einnehmen, die mit S, D, N, P und R bezeichnet sind. Eine andere Zuordnung ist ebenfalls möglich. Ein symbolischer Pfeil am Flusselement 125 weist auf Marken, die die Positionen 140 anzeigen.
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Der Träger 130 kann insbesondere eine Platine umfassen und die Flachspulen L1-L3 können als Leiterbahnen auf der Platine ausgebildet sein. Optional kann die Platine mehrere Lagen umfassen, auf denen jeweils ein Abschnitt einer Flachspule L1-L3 als Leiterbahn ausgebildet sein kann, wobei die Abschnitte einer Flachspule L1-L3 elektrisch miteinander verbunden sind. Das Flusselement 125 kann ein aus einem leitfähigen Material wie Kupfer bestehen, um als Dämpfungselement für die Induktivitäten der Flachspulen L1-L3 zu wirken.
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Die Trajektorie 130 erstreckt sich in der dargestellten Ausführungsform von der Position S (ganz links) bis zur Position R (ganz rechts). Dabei ist die Trajektorie 130 bevorzugt so begrenzt, dass sich das Flusselement 125 in allen Positionen 140 vollständig über (oder unter) der Fläche 120 befindet.
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Die Flachspulen L1-L3 sind so geformt, dass ein durch das Flusselement 125 abgedeckter Bereich jeder Flachspule L1-L3 von einer Position des Flusselements 125 abhängig ist. Vorliegend sind die Flachspulen L1 und L3 so geformt, dass ihr jeweils durch das Flusselement 125 abgedeckter Bereich dann am größten ist, wenn sich das Flusselement 125 in der Position S befindet und der abgedeckte Bereich streng monoton abnimmt, wenn das Flusselement 125 in Richtung der Position R verschoben wird. Die Flachspule L2 ist so geformt, dass ihr durch das Flusselement 125 abgedeckte Bereich dann am kleinsten ist, wenn sich das Flusselement 125 in der Position S befindet und der abgedeckte Bereich streng monoton zunimmt, wenn das Flusselement 125 in Richtung der Position R verschoben wird. Die diesbezüglich gegenläufige Anordnung der Flachspule L2 gegenüber den Flachspulen L1 und L3 ist für die Funktion der Sensoranordnung 105 nicht unbedingt erforderlich, kann aber eine besonders kompakte Anordnung der Flachspulen L1-L3 auf der Fläche 120 ermöglichen.
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Die Flachspulen L1-L3 erstrecken sich bevorzugt über die gesamte Länge der Fläche 120 in x-Richtung. In der dargestellten Ausführungsform sind die die Flachspulen L1-L3 jeweils trapezoid geformt, wobei sich zueinander parallele Grundseiten jedes Trapezes jeweils in y-Richtung erstrecken. Die Trapeze der Flachspulen L1 und L3 tragen jeweils zwei Innenwinkel von 90° auf der von der Flachspule L2 abgewandten Seite, und zwar einen im Bereich der Position S und einen im Bereich der Position R. Das Trapez der zweiten Flachspule L2 hat keinen rechten Innenwinkel, ist aber symmetrisch bezüglich einer Achse parallel zur x-Achse. So sind Abstände zwischen den Flachspulen L1-L3 in y-Richtung bevorzugt konstant entlang der x-Richtung.
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Eine Auswerteeinrichtung 145 ist dazu eingerichtet, Induktivitäten der Flachspulen L1-L3 zu bestimmen. Dazu sind bevorzugt beide Enden jeder der Flachspulen L1-L3 mit der Auswerteeinrichtung 145 verbunden, wie angedeutet. Zur Bestimmung ihrer Induktivität kann eine Flachspule L1-L3 einen Teil eines Schwingkreises, etwa eines parallelen L-C-Kreises, bilden, und dieser kann in seiner Resonanzfrequenz angeregt werden. Die Resonanzfrequenz kann als Maß für die Induktivität verwendet werden, die ihrerseits von dem durch das Flusselement 125 abgedeckten Bereich der Flachspule L1-L3 abhängt. Die Größe des abgedeckten Bereichs ist mit der Position 140 des Flusselements 125, und dadurch mit der des Wählhebels 115 verknüpft, sodass auf der Basis der Induktivität einer Flachspule L1-L3 die Position 140 des Wählhebels 115 bestimmt werden kann.
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Die Auswerteeinrichtung 145 ist weiter bevorzugt dazu eingerichtet, die Position 140 des Wählhebels 115 bzw. des Flusselements 125 auf der Basis von Positionen 140 zu bestimmen, die einzeln bezüglich jeweils einer der Flachspulen L1-L3 bestimmt wurden. Dabei kann insbesondere bestimmt werden, ob zwei oder mehr Positionen 140, die jeweils bezüglich einer der Flachspulen L1-L3 bestimmt wurden, einander entsprechen. Ist dies der Fall, so kann die Position 140 bezüglich der einander entsprechenden Positionen 140 bestimmt werden. Die bestimmte Position 140 kann über eine Schnittstelle 150 nach außen bereitgestellt werden. Die bereitgestellte Position kann kontinuierlich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs angegeben werden oder diskret eine der vorbestimmten Positionen S, D, N, P oder R betreffen. Außerdem kann bestimmt werden, ob eine der Flachspulen L1-L3 einen Defekt aufweist.
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Die Darstellung 110 im unteren Bereich von 1 zeigt qualitativ exemplarische Verläufe von Induktivitäten der Flachspulen L1-L3 in Abhängigkeit verschiedener Positionen 140 des Flusselements 125. In horizontaler Richtung ist eine Position 140 des Flusselements 125 und in vertikaler Richtung eine Induktivität angetragen. Induktivitäten der Flachspulen L1 und L3 sind als identisch gezeigt, obwohl sie in der Praxis üblicherweise wenigstens leicht voneinander abweichen, auch wenn die Flachspulen L1 und L3 zueinander symmetrisch ausgebildet sind.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen der Position 140 des Flusselements 125 gegenüber einer Anordnung von Spulen L1-L3 in einer Sensoranordnung 105 wie der von 1. Das Verfahren 200 kann insbesondere mithilfe der Auswerteeinrichtung 145 durchgeführt werden und beginnt bevorzugt in einem Schritt 205.
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In einem Schritt 210 kann eine Induktivität der Flachspule L1 bestimmt werden. In entsprechender Weise können in Schritten 215 und 220 Induktivitäten der Flachspulen L2 und L3 bestimmt werden. Die Schritte 210-220 können nacheinander, synchronisiert oder nebenläufig zueinander ausgeführt werden.
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Zu jeder bestimmten Induktivität kann dann in Schritten 230-240 jeweils eine korrespondierende Position 140 des Flusselements 125 bestimmt werden, beispielsweise auf der Basis einer Tabelle, die Induktivitäten auf Positionen 140 abbildet, oder auf der Basis eines bekannten Zusammenhangs, der eine funktionale Bestimmung der Position 140 auf der Basis der Induktivität erlaubt.
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In einem Schritt 250 können die bestimmten Positionen 140 miteinander verglichen werden. Stimmen Positionen 140 einer Mehrzahl von Flachspulen L1-L3 miteinander überein, so kann auf der Basis dieser bestimmten Positionen 140 eine Position 140 des Flusselements 125 bestimmt und in einem Schritt 255 bereitgestellt werden, beispielsweise über die Schnittstelle 150.
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Stimmen in der in 1 dargestellten Ausführungsform beispielsweise Positionen 140, die bezüglich der Flachspulen L1 und L2 bestimmt wurden, im Wesentlichen überein und weicht die Position 140, die bezüglich der Flachspule L3 bestimmt wurde, um mehr als ein vorbestimmtes Maß von den anderen beiden Positionen 140 ab, so kann die Position 140 des Flusselements 125 bezüglich der beiden übereinstimmenden Positionen 140 bestimmt werden. In diesem Fall kann die Flachspule L1-L3, bezüglich der eine von den anderen abweichende Position 140 bestimmt wurde, in einem Schritt 260 als defekt bestimmt werden. Eine als defekt bestimmte Flachspule L1-L3 kann in einem folgenden Durchlauf der dargestellten Schritte nicht zur Bestimmung einer Position 140 herangezogen werden. Das Verfahren 200 kann zyklisch durchlaufen werden, um die Position 140 in vorbestimmten Zeitabständen zu bestimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- Sensoranordnung
- 110
- Darstellung
- 115
- Wählhebel
- 120
- Fläche
- 125
- Flusselement
- 130
- Trajektorie
- 135
- Träger
- 140
- Position
- 145
- Auswerteeinrichtung
- 150
- Schnittstelle
- 200
- Verfahren
- 205
- Start
- 210
- Bestimmen Induktivität L1
- 215
- Bestimmen Induktivität L2
- 220
- Bestimmen Induktivität L3
- 230
- Bestimmen Position nach L1
- 235
- Bestimmen Position nach L2
- 240
- Bestimmen Position nach L3
- 250
- Mehrheitsentscheidung bilden
- 255
- Position bereitstellen
- 260
- defekte Flachspule bestimmen
