DE102020209269A1 - Elektronische Anordnung, Sensor und Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung - Google Patents

Elektronische Anordnung, Sensor und Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronische Anordnung (1) zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit (2) und eine rotierende Einheit (3), wobei die statische Einheit (2) einen eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreis (6) umfasst, der durch einen Oszillator (7) anregbar ist. Die rotierende Einheit (3) umfasst eine zweite Spule (10) und einen Sensorschaltkreis (11), die an eine Spannungsversorgung (12) angeschlossen sind, wobei die erste Spule (4) und die zweite Spule (10) ein Spulenpaar (16) zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit (2) auf die rotierende Einheit (3) und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit (3) auf die statische Einheit (2) bilden, wobei an die zweite Spule (10) ein zweiter Kondensator (18) zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises (19) angeschlossen ist. Der zweite Schwingkreis (19) weist zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (6, 19) auf. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz weist die statische Einheit (2) eine Signal-Messvorrichtung (15) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit und eine rotierende Einheit, wobei die statische Einheit einen eine erste Spule und einen ersten Kondensator aufweisenden ersten Schwingkreis umfasst, der durch einen Oszillator anregbar ist, und die rotierende Einheit eine zweite Spule und einen Sensorschaltkreis umfasst, die an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft zudem einen eine solche elektronische Anordnung umfassenden Sensor zur Drehwinkel- und/oder Drehmomentbestimmung und ein Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit.
  • Drehmomentsensoren weisen herkömmlicherweise einen Drehwinkelsensor auf. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können. Ein solcher Drehmomentsensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 043 502 A1 bekannt. An der oberen Lenkwelle ist dabei ein Ringmagnet angeordnet, während auf der unteren Lenkwelle ein Halter mit einem magnetischen Stator angebracht ist, welcher dem Dauermagneten in radialer Richtung über einen kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Über den Stator, welcher üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen besteht, wird der magnetische Fluss des Magneten hin zu einem ersten und einem zweiten Flussleiter geleitet, welche dann den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor - beispielsweise einen Hall-Sensor - abgeben. Ein solcher Drehmomentsensor wird aufgrund seiner Arbeitsweise auch als induktiver Drehmomentsensor bezeichnet.
  • Auf elektronischer Ebene ist zur Realisierung eines solchen induktiven Drehmomentsensors erforderlich, dass Leistung und Daten von dem rotierenden Teil, dem Rotor, zu dem statischen Teil, dem Stator, übertragen werden. Hierzu werden aus Redundanzgründen regelmäßig zwei Spulenpaare eingesetzt, wobei die Spulenpaare in jeder Relativposition zueinander eine Leistungsübertragung ermöglichen.
  • Problematisch bei einer solchen elektronischen Anordnung ist, dass diese aufgrund des Einsatzes von zwei Spulenpaaren, die in jeder Relativposition der beiden ein Paar bildenden Spulen zueinander eine Leistungsübertragung ermöglichen, nicht nur sehr kompliziert, sondern auch kostspielig ist und sich zudem als fehleranfällig für Interferenzeffekte zwischen den unterschiedlichen Spulenpaaren erwiesen hat, was die Gefahr von fehlerbehafteten, gegebenenfalls sogar Gefahr verursachenden, Messungen mit sich bringt.
  • Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Anordnung vorzuschlagen, die es auf einfache und kostengünstige Art und Weise erlaubt, eine induktive Leistungs- und Datenübertragung zwischen einem Stator und einem Rotor vorzunehmen, und dabei etwaige Interferenzeffekte minimiert.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte gattungsgemäße elektronische Anordnung, wobei die erste und die zweite Spule ein Spulenpaar zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen auf die rotierende Einheit und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden auf die statische Einheit bilden, wobei an die zweite Spule ein zweiter Kondensator zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis angesteuerten Schalter zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist und die statische Einheit eine Signal-Messvorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz aufweist.
  • Bei einer solchen elektronischen Anordnung bilden die erste und die zweite Spule ein Spulenpaar zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen auf die rotierende Einheit und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden auf die statische Einheit. Damit ist sowohl die Leistungs- als auch die Datenübertragung zwischen der statischen beziehungsweise rotierenden Einheit gewährleistet. Dabei ist an die zweite Spule ein zweiter Kondensator angeschlossen, wodurch neben dem ersten Schwingkreis in dem statischen Teil ein zweiter Schwingkreis in dem rotierenden Teil gebildet wird. Durch eine solche Anordnung wird auf geschickte Art und Weise eine Datenmodulation ermöglicht, indem ein über den Sensorschaltkreis angesteuerter Schalter die Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (dem ersten und zweiten Schwingkreis) moduliert. Zur Erfassung beziehungsweise Demodulation der Daten weist die statische Einheit eine Signal-Messvorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise auf. Auf diese Art und Weise kann die gewünschte Daten- und Leistungsübertragung durch die Realisierung eines gekoppelten Schwingkreises, also mit nur einem Spulenpaar, kostengünstig und einfach realisiert werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter zur Datenmodulation ein Paar von MOSFETs, wodurch vorteilhafterweise eine hohe Datenmodulation erreicht werden kann.
  • In einer besonders geeigneten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Oszillator, der den ersten Schwingkreis anregt, ein Royer-Oszillator. Ein solcher Royer-Oszillator ist besonders leistungsfähig und zeichnet sich zudem durch einen verlustarmen Betrieb aus.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung ist die Signal-Messvorrichtung ein Mikrocontroller zur Datendemodulation. Hierdurch kann neben der Sicherstellung einer hohen Datenrate auch eine preisgünstige Datendemodulation bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signal-Messvorrichtung durch eine digitale Logikeinheit, insbesondere ein ASIC oder FPGA, oder durch eine analoge Signalverarbeitung realisiert.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung beträgt die Datenrate bis zu 900 kHz, liegt insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz, vorzugsweise im Bereich von 250 kHz bis 300 kHz oder von 500 kHz bis 600 kHz oder von 750 kHz bis 900 kHz erfolgt. Hierdurch können nicht nur hohe, sondern elektronisch besonders geeignete Datenraten verwendet werden.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes, wobei der Sensor eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung aufweist. Dieser Sensor zeichnet sich dank der kostengünstig herstellbaren elektronischen Anordnung durch besonders geringe Herstellungskosten aus.
  • Neben der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    • - Anregen eines eine erste Spule und einen ersten Kondensator aufweisenden ersten Schwingkreises in der statischen Einheit durch einen Oszillator;
    • - Induktives Übertragen einer Leistung von der statischen Einheit auf die eine zweite Spule und einen an die zweite Spule angeschlossenen zweiten Kondensator aufweisende rotierende Einheit, wobei die zweite Spule und der zweite Kondensator einen zweiten Schwingkreis bilden;
    • - Induktives Übertragen von Daten von der rotierenden auf die statische Einheit, wobei die rotierende Einheit zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis angesteuerten Schalter zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist;
    • - Messen der Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal-Messvorrichtung in der statischen Einheit.
  • Auf diese Art und Weise kann die gewünschte Daten- und Leistungsübertragung durch die Realisierung eines gekoppelten Schwingkreises, also mit nur einem Spulenpaar, kostengünstig und einfach realisiert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses zum Betrieb eines Sensors, insbesondere eines Winkelsensors oder eines Drehmomentsensors, zur Realisierung einer Steer-by-Wire-Lösung eingesetzt, wobei die durch die statische Einheit empfangenen Daten an eine ein Lenksystem steuernde Motorkontrolleinheit geleitet werden. In einem solchen Fall wirkt sich die durch das erfindungsgemäße Verfahren verringerte Interferenzgefahr positiv auf die mit einer Steer-by-Wire-Lösung realisierte Lenksicherheit aus.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren wird die Datenmodulation als Frequenzumtastung ausgeführt, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass eine besondere Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erreicht wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis so eng gekoppelt sind, dass sich beide Schwingkreise wie ein einzelner Schwingkreis verhalten, so dass die übertragbare Datenrate hierdurch vorteilhafterweise weiter verbessert wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung einer vorbekannten elektronischen Anordnung zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische und eine rotierende Einheit mit zwei Spulenpaaren,
    • 2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische und eine rotierende Einheit mit einem Spulenpaar und
    • 3: eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen und einer rotierenden Einheit unter Verwendung eines gekoppelten Schwingkreises.
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt beziehungsweise erwähnt.
  • Eine in 1 dargestellte vorbekannte elektronische Anordnung 1 zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfasst eine statische Einheit 2 und eine rotierende Einheit 3, wobei die statische Einheit 2 einen eine erste Spule 4 und einen ersten Kondensator 5 aufweisenden ersten Schwingkreis 6 umfasst, der durch einen Oszillator 7 anregbar ist. Dabei ist der Oszillator 7 durch eine Steuereinheit 8 angesteuert, indem elektrische Leistung 9 von der Steuereinheit 8 an den Oszillator 7 übermittelt wird, damit der erste Schwingkreis 6 angeregt wird. Die rotierende Einheit 3 umfasst eine zweite Spule 10 und einen Sensorschaltkreis 11, die an eine Spannungsversorgung 12 angeschlossen sind. Zudem weist eine solche vorbekannte elektronische Anordnung 1 ein zweites Spulenpaar zur Datenübertragung von einer rotierenden 3 auf eine statische 2 Einheit auf. Dabei wir die Datenübertragung durch einen Datenspulentreiber 13 angetrieben. Die von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 übertragenen Daten 14, insbesondere Drehwinkeldaten, werden durch die Signal-Messeinrichtung 15 der statischen Einheit 2 erfasst und zur Steuereinheit 8 weitergeleitet. Nachteilig bei einer solchen Anordnung sind die hohen Herstellungs- und Installationskosten durch die zwei Spulenpaare 16, 17. Zudem können die unterschiedlichen Spulenpaare sich leicht untereinander beeinflussen, was zu einem unerwünschten Aufkommen von Störsignalen führen kann, die, bei einem Einsatz in einer Steer-by-Wire-Lösung, die Lenksicherheit negativ beeinflussen können.
  • Demgegenüber ist in 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung 1 gezeigt, bei der lediglich ein Spulenpaar 16 zum Einsatz kommt. Dieses wird auf intelligente Art und Weise ermöglicht, indem dasselbe Spulenpaar 16 zur Daten- und Leistungsübertragung genutzt wird. Hierzu weist die erfindungsgemäße elektronische Anordnung 1 ein Spulenpaar 16 zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit 2 auf die rotierende Einheit 3 und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 auf, wobei an die zweite Spule 10 ein zweiter Kondensator 18 zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises 19 angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis 11 angesteuerten Schalter 20 zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist. Die Datendemodulation erfolgt in einer in der statischen Einheit 2 lokalisierten Signal-Messvorrichtung 15 zur Bestimmung der Resonanzfrequenz.
  • Des Weiteren ist in 3 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen Einheit 2 und einer rotierenden Einheit 3 unter Verwendung eines gekoppelten Schwingkreises dargestellt.
  • Dabei wird in einem ersten Schritt V1 ein eine erste Spule 4 und einen ersten Kondensator 5 aufweisender erster Schwingkreis 6 in der statischen Einheit 2 durch einen Oszillator 7 angeregt.
  • Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt V2 ein induktives Übertragen einer Leistung 9 von der statischen Einheit 2 auf eine rotierende Einheit 3, die eine zweite Spule 10 und einen an die zweite Spule 10 angeschlossenen zweiten Kondensator 18 aufweist, wobei die zweite Spule 10 und der zweite Kondensator 18 einen zweiten Schwingkreis 19 bilden.
  • In einem dritten Verfahrensschritt V3 werden induktiv Daten 14 von der rotierenden Einheit 3 auf die statische Einheit 2 übertragen, wobei die rotierende Einheit 3 zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis 11 angesteuerten Schalter 20 zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist.
  • Abschließend wird in einem vierten Schritt V4 des Verfahrens die Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal-Messvorrichtung 15 in der statischen Einheit 2 erfasst.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektronische Anordnung
    2
    statische Einheit
    3
    rotierende Einheit
    4
    erste Spule
    5
    erster Kondensator
    6
    erster Schwingkreis
    7
    Oszillator
    8
    Steuereinheit
    9
    Leistung
    10
    zweite Spule
    11
    Sensorschaltkreis
    12
    Stromversorgung
    13
    Datenspulentreiber
    14
    Daten
    15
    Signal-Messeinrichtung
    16
    erstes Spulenpaar
    17
    zweites Spulenpaar
    18
    zweiter Kondensator
    19
    zweiter Schwingkreis
    20
    Schalter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007043502 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Elektronische Anordnung (1) zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung umfassend eine statische Einheit (2) und eine rotierende Einheit (3), wobei die statische Einheit (2) einen eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreis (6) umfasst, der durch einen Oszillator (7) anregbar ist, und die rotierende Einheit (3) eine zweite Spule (10) und einen Sensorschaltkreis (11) umfasst, die an eine Spannungsversorgung (12) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (4) und die zweite Spule (10) ein Spulenpaar (16) zur induktiven Leistungsübertragung von der statischen Einheit (2) auf die rotierende Einheit (3) und zur induktiven Datenübertragung von der rotierenden Einheit (3) auf die statische Einheit (2) bilden, wobei an die zweite Spule (10) ein zweiter Kondensator (18) zur Ausbildung eines zweiten Schwingkreises (19) angeschlossen ist, der zur Datenmodulation einen über den Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise aufweist und die statische Einheit (2) eine Signal-Messvorrichtung (15) zur Bestimmung der Resonanzfrequenz aufweist.
  2. Elektronische Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (20) ein Paar von MOSFETs ist.
  3. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) ein Royer-Oszillator ist.
  4. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Messvorrichtung (15) ein Mikrocontroller zur Datendemodulation ist.
  5. Elektronische Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung mit einer Datenrate von bis zu 900 kHz, insbesondere im Bereich von 100 kHz bis 900 kHz, vorzugsweise im Bereich von 250 kHz bis 300 kHz oder von 500 kHz bis 600 kHz oder von 750 kHz bis 900 kHz erfolgt.
  6. Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine elektronische Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
  7. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung zwischen einer statischen Einheit (2) und einer rotierenden Einheit (3), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Anregen eines eine erste Spule (4) und einen ersten Kondensator (5) aufweisenden ersten Schwingkreises (6) in der statischen Einheit (2) durch einen Oszillator (7) (V1); - Induktives Übertragen einer Leistung (9) von der statischen Einheit (2) auf die eine zweite Spule (10) und einen an die zweite Spule (10) angeschlossenen zweiten Kondensator (18) aufweisende rotierende Einheit (3), wobei die zweite Spule (10) und der zweite Kondensator (18) einen zweiten Schwingkreis (19) bilden (V2); - Induktives Übertragen von Daten (14) von der rotierenden Einheit (3) auf die statische Einheit (2), wobei die rotierende Einheit (3) zur Datenmodulation einen über einen Sensorschaltkreis (11) angesteuerten Schalter (20) zur Modulation der Resonanzfrequenz der gekoppelten Schwingkreise (6, 19) aufweist (V3); - Messen der Resonanzfrequenz der empfangenen Daten durch eine Signal-Messvorrichtung (15) in der statischen Einheit (V4).
  8. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Betrieb eines Sensors, insbesondere eines Winkelsensors oder eines Drehmomentsensors, zur Realisierung einer Steer-by-Wire-Lösung eingesetzt wird, und die durch die statische Einheit (2) empfangenen Daten an eine ein Lenksystem steuernde Motorkontrolleinheit geleitet werden.
  9. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenmodulation als Frequenzumtastung ausgeführt wird.
  10. Verfahren zur induktiven Leistungs- und Datenübertragung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingkreis (6) und der zweite Schwingkreis (19) so eng gekoppelt sind, dass sich beide Schwingkreise (6, 19) wie ein einzelner Schwingkreis verhalten.
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