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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben. Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden.
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Beispielsweise für eine Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen werden häufig entweder Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet, welche jeweils aus einem ortsfesten Stator und einem sich drehenden Rotor bestehen. Der Stator trägt in der Regel drei, beispielsweise um 120°/p zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei p eine Anzahl von Polpaaren repräsentiert. Bei Asynchronmaschinen besteht der Rotor üblicherweise aus an Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben. Bei einer Drehung eines Rotorfeldes kann so in den Stäben eine Spannung induziert werden, welche einen Stromfluss hervorruft, welcher wiederum ein Gegenmagnetfeld aufbaut und es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Die induzierte Spannung ist Null, wenn sich Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen. Es stellt sich eine Drehzahldifferenz ein, welche als Schlupf bezeichnet wird und welche das Moment des Motors definiert. Bei Synchronmaschinen umfasst der Rotor einen Läufer, welcher eine Erregerspule trägt, in welchem ein Gleichstrom fließt und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine, welche aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und so für Traktionsanwendungen geeigneter sein kann. Eine Drehzahl des Rotors kann prinzipbedingt identisch zur Drehzahl eines Erregerfelds sein. Das Drehmoment kann von einem Phasenversatz, also einer Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotor, abhängen. Zur Regelung des Moments, Ansteuerung eines Inverters und entsprechender Bereitstellung von Statorspulensignalen muss für Asynchronmaschinen die Drehzahl des Rotors und für Synchronmaschinen eine Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein. In beiden Fällen, Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen, ist insbesondere aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung zu bestimmen. Die maximale Leistung der Maschine kann zudem durch eine Stator- und Rotortemperatur begrenzt sein.
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Um die Rotorlage zu ermitteln, ist es bekannt, so genannte Resolver zu verwenden. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehzahlfest auf der Welle des Motors montiert ist. Kreisringförmig umlaufend sind auf einem Stator eine Erregerspule sowie mehrere Empfängerspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld. Drehwinkelabhängig kann in einer ersten Empfängerspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert werden, während in einer zweiten Empfängerspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Die Bereitstellung des Erregersignals sowie das Auslesen der Signale kann innerhalb der Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden. Resolver benötigen jedoch relativ viel Bauraum, erfordern eine komplexe Signalbereitstellung und -aufbereitung und müssen mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Aus diesen genannten Gründen können Systemkosten entsprechend hoch sein. Weiterhin kann es aus Platzgründen nicht möglich sein, auf den Stator des Resolvers ein redundantes Empfangsspulensystem zu montieren, um eine Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen. So kann ein Ausfall des Sensors zum „Liegenbleiben“ des Fahrzeugs führen.
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Ein Rotorpositionssensor dient beispielsweise der Erfassung der Rotorlage in Elektromotoren zur effizienten und sicheren Ansteuerung durch einen Inverter eines Motorsteuergeräts. Der Inverter berechnet die Winkelposition des Rotors auf Basis der Signale des Rotorpositionssensors. Zur Erreichung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 sind derzeit keine anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASICs) für induktive Rotorpositionssensoren verfügbar, die den Anforderungen an ASIL D genügen. Dies ist unter anderem auf die nicht ausreichend hohe Fähigkeit zurückzuführen, Fehlfunktionen im ASIC zu erkennen. Damit kann nicht ausreichend sichergestellt werden, dass der Inverter ein korrektes Rotorpositionssignal berechnen kann, weshalb Sicherheitsziele wie beispielsweise das Verhindern ungewollter Beschleunigung nicht erreicht werden könnten. Die verfügbaren ASICs erreichen daher lediglich ASIL C.
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Da kundenseitig von den Automobilzulieferern jedoch ein Rotorlagesignal in ASIL D gefordert wird, kann nach ISO 26262 eine Dekomposition durchgeführt werden. Damit können zwei baugleiche ASIL C ASICs in sogenannter homogener Redundanz ausgeführt werden. Nach Norm wäre auch die Kombination zweier ASIL B ASICs möglich. Auch die Verwendung zweier unterschiedlicher ASICs in Form einer inhomogenen Redundanz ist möglich. Die Redundanz ermöglicht dem Inverter die Plausibilisierung des Signals vom jeweils anderen Sensor-Subsystem.
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Beide redundante Ansätze sind jedoch durch die Verdoppelung der ohnehin kostenintensiven ASICs und der damit nötigen redundanten Auslegung der Spulen und Zusatzbeschaltung aus wirtschaftlicher Sicht fragwürdig. Für analoge Signalübertragung ergeben sich zusätzlich wesentliche Mehrkosten durch die Verdoppelung der Pin-Anzahl, der Leitungen bzw. der größeren Steckverbbinder.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, welches die Nachteile der zuvor beschriebenen Sensoren bzw. Sensorsysteme zumindest weitgehend vermeidet und das insbesondere die Anforderungen an die funktionale Sicherheit unter Vermeidung von Redundanzen im Sensorsystem erfüllt.
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Die Bezeichnung „erstes“ und „zweites“ und deren grammatikalischen Äquivalente sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung als reine Bezeichnungen zu verstehen, um Bauteile oder Merkmale begrifflich unterscheiden zu können, und sollen insbesondere keine Aufschluss über eine Reihenfolge oder Gewichtung von Bauteilen oder Merkmalen geben.
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Unter einem „Sensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem „System“ kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Komponenten aufweist. Unter einem Sensorsystem zur Bestimmung der Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensorsystem verstanden, welches eingerichtet ist, um die mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen, beispielsweise zu messen, und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Signal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom und diese an ein Steuergerät ausgeben kann. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
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Unter einer „Rotationseigenschaft“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder eines Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden.
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Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem „rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
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Das Sensorsystem umfasst ein Steuergerät. Unter einem „Steuergerät“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein elektronisches Modul verstanden werden, das überwiegend an Orten eingebaut wird, an denen etwas gesteuert oder geregelt werden muss. Steuergeräte werden im Kfz-Bereich in allen erdenklichen elektronischen Bereichen eingesetzt, ebenso zur Steuerung von Maschinen, Anlagen und sonstigen technischen Prozessen. Steuergeräte arbeiten allgemein nach dem EVA-Prinzip. EVA steht für Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe. Für die Eingabe stehen Sensoren zur Verfügung. Diese ermitteln eine physikalische Kenngröße wie z. B. Drehzahl, Druck, Temperatur usw. Dieser Wert wird mit einer im Steuergerät eingegebenen oder berechneten Sollgröße verglichen. Sollte der gemessene Wert mit dem eingespeicherten Wert nicht übereinstimmen, regelt das Steuergerät mittels Aktoren den physikalischen Prozess nach, so dass die gemessenen Istwerte wieder mit den Sollgrößen übereinstimmen. Die Aktoren greifen also korrigierend in einen laufenden Prozess ein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Bereitstellung des Erregersignals sowie das Auslesen der Signale innerhalb der Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden.
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Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor, welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements. Unter einem „induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der eine Information, insbesondere ein Signal, entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Magnetsensor handeln. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder Rotorpositionssensor sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. So sind von der vorliegenden Erfindung insbesondere induktive Sensoren umfasst, die ohne Permanentmagnet auskommen, Sensoren mit mindestens einer Anregungsspule und einer Empfängerspule.
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Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Ausgangssignal, welches die mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem induktiven Positionssensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle empfangenen Signale auswertet und in Ausgangssignale wandelt. Die Signale können analog, digital oder eines analog und eines digital sein.
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Das zweite Ausgangssignal kann ein Ausgangssignal eines Inertialsensors sein, welcher eingerichtet ist zum Kommunizieren mit dem Steuergerät. Somit kann das zweite Ausgangssignal von einem externen Sensor dem Steuergerät zugeführt werden.
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Unter einem „Inertialsensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Sensor verstanden werden, der Bewegungen, Beschleunigungen, Drehungen und/oder Positionen von Bauteilen erfassen kann. Dabei kann es sich auch um eine inertiale Messeinheit IMU (IMU - inertial measurement unit) handeln. Eine inertiale Messeinheit ist eine räumliche Kombination mehrerer Inertialsensoren, wie Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren. Zur Erfassung der sechs möglichen kinematischen Freiheitsgrade verfügt eine IMU über drei jeweils aufeinander orthogonal stehende Beschleunigungssensoren (Translationssensoren) für die Erfassung der translatorischen Bewegung in x- bzw. y- bzw. z-Achse und drei orthogonal zueinander angebrachten Drehratensensoren (Gyroskopische Sensoren) für die Erfassung rotierender (kreisender) Bewegungen um die x- bzw. y- bzw. z-Achse. Eine inertiale Messeinheit liefert als Messwerte drei lineare Beschleunigungswerte für die translatorische Bewegung und drei Winkelgeschwindigkeiten für die Drehraten.
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Das zweite Ausgangssignal kann Informationen über eine Beschleunigung und/oder Drehzahl eines Bauteils und/oder einer Vorrichtung aufweisen. Der Inertialsensor kann beispielsweise Beschleunigungen und Drehraten erfassen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Fahrzustand eines Fahrzeugs relativ zum Inertialsystem, also der ortsfesten Umgebung, zu ermitteln. Auch kann das zweite Ausgangssignal beispielsweise Informationen zu Raddrehzahlen über Raddrehzahlsensoren erfassen. Dadurch ist es möglich, den Fahrzustand des Fahrzeugs zur ermitteln.
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Alternativ kann der Positionssensor weiterhin einen Inertialsensor aufweisen, wobei das zweite Ausgangssignal ein Ausgangssignal des Inertialsensors ist. Entsprechend kann eine zusätzliche, physikalisch unabhängige Plausibilisierungsgröße auf Basis von Inertialsensorik im Positionssensor bereitgestellt werden.
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Die Auswerteeinheit kann mittels mindestens einer ersten Ausgabeleitung mit dem Steuergerät verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zum Ausgeben des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals an das Steuergerät über die erste Ausgabeleitung. Damit erfolgt die Signalübertagung der Positionsinformationen und der Plausibilisierungsgröße über mindestens eine gemeinsame Leitung.
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Alternativ kann die Auswerteeinheit mittels mindestens einer ersten Ausgabeleitung und einer zweiten Ausgabeleitung mit dem Steuergerät verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zum Ausgeben des ersten Ausgangssignals an das Steuergerät über die erste Ausgabeleitung und die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zum Ausgeben des zweiten Ausgangssignals an das Steuergerät über die zweite Ausgabeleitung. Somit erfolgt die Signalübertagung der Positionsinformationen und der Plausibilisierungsgröße über getrennte, eigene Leitungen.
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Alternativ kann das Steuergerät weiterhin einen Inertialsensor aufweisen, wobei das zweite Ausgangssignal ein Ausgangssignal des Inertialsensors ist. Somit können durch die Nutzung von Intertialsensorik im Steuergerät die Signale des Positionssensors plausibilisiert werden. Kerngedanke ist die Kopplung des Gesamtfahrzeugs mit dem Positionssensor und dem Steuergerät und damit mit den darauf angebrachten Inertialsensoren. Die am Gesamtfahrzeug wirkenden Kräfte wirken somit auch auf das Steuergerät.
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Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät eingerichtet ist zum Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal. Somit können durch die Nutzung von Intertialsensorik im Steuergerät selbst die Signale des Positionssensors durch das Steuergerät plausibilisiert werden. Kerngedanke ist die Kopplung des Gesamtfahrzeugs mit dem Positionssensor und dem Steuergerät und damit mit den darauf angebrachten Inertialsensoren. Die am Gesamtfahrzeug wirkenden Kräfte wirken somit auch auf das Steuergerät.
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Alternativ kann der Positionssensor weiterhin eine Plausibilisierungsschaltung aufweisen, wobei die Plausibilisierungsschaltung eingerichtet ist zum Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal. Somit wird eine Plausibilisierung der beiden Signale durch eine Schaltung ermöglicht.
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Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Ausgeben des plausibilisierten ersten Ausgangssignals an das Steuergerät. Somit wird nur ein bereits plausibilisiertes Signal zum Steuergerät übertragen, so dass die Berechnung beispielsweise einer Rotorposition genau erfolgen kann.
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Der induktive Positionssensor kann mindestens einen Schaltungsträger aufweisen. Unter einem „Schaltungsträger“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB).
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Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads eines weiter unten beschriebenen Sensorsystems im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
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Der induktive Positionssensor kann mindestens eine Spulenanordnung aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Spulenanordnung kann mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfassen. Unter einer „Spulenanordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer „Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem „Empfängerspulensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Empfängerspulen umfasst.
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Die Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Hinsichtlich des Begriffs „im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verwiesen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können wie in
DE 10 2017 210 655.7 , eingereicht am 23.06.2017, beschrieben ausgestaltet sein. Die Empfängerspulen können die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig umlaufen, wobei jede Empfängerspule durch eine Mehrzahl benachbarter Teilwindungen gebildet ist, wobei benachbarte Teilwindungen bezüglich der Stromlaufrichtung gegensätzlich orientiert sind. Dabei ist jede Teilwindung bezüglich einer radialen Richtung, die sich von der Rotationsachse nach außen erstreckt, gebildet aus Abschnitten von wenigstens zwei nach links gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen und aus Abschnitten von wenigstens zwei nach rechts gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen. Alle linksgekrümmten und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen weisen denselben Krümmungsradius auf. Alle linksgekrümmten Leiterbahnen und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen erstrecken sich zwischen zwei konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse, einem ersten Kreis mit einem ersten Radius und einem zweiten Kreis mit einem zweiten Radius, wobei ein dritter Kreis gegeben ist, der konzentrisch zum ersten Kreis gelegen ist und einen dritten Radius aufweist, der sich aus dem Mittelwert des ersten Radius und des zweiten Radius ergibt, wobei eine erste rechtsgekrümmte Leiterbahn durch drei Punkte verläuft: durch einen ersten Punkt, der auf dem ersten Kreis liegt; durch einen zweiten Punkt, der auf dem dritten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um ein Viertel des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist; und durch einen dritten Punkt, der auf dem zweiten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um die Hälfte des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist. Die weiteren rechtsgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich aus der vorfolgenden rechtsgekrümmten Leiterbahn durch eine Drehung um die Drehachse um die Hälfte des Messbereichs in Umfangsrichtung. Die linksgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich durch Spiegelungen der rechtsgekrümmten Leiterbahnen jeweils an einer Radiallinie, die sich von der Drehachse durch den Schnittpunkt der jeweiligen rechtsgekrümmten Leiterbahn mit dem dritten Kreis erstreckt. Eine Teilwindung einer Empfängerspule kann dabei als ein Teil der Empfängerspule definiert sein, der von Leiterbahnen der Empfängerspule umgeben ist, die sich nicht gegenseitig schneiden. Die Orientierung einer Teilwindung bestimmt sich über einen Stromfluss durch die Empfängerspule. Gegenläufig orientierte Teilwindungen weisen bei einem Stromfluss durch die Empfängerspule jeweils gegenläufig Stromflüsse auf, d.h. bei einer Teilwindung mit einer ersten Orientierung läuft der Strom im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts durch die Teilwindung, bei einer Teilwindung mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung läuft der Strom gegen den Uhrzeigersinn bzw. nach links durch die Teilwindung. Eine Teilwindung kann lediglich beispielhaft wie eine Raute mit gekrümmten Seitenflächen aufgebaut sein. Die vier Seitenflächen einer solchen Raute können z.B. durch je zwei Teilstücke zweier linksgekrümmter Leiterbahnen und zweier rechtsgekrümmter Leiterbahnen ausgebildet sein. Beispielsweise kann dabei die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der linksgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Ebenso kann die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der rechtsgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Der Aufbau der Teilwindungen ist dabei so zu verstehen, dass eine gedachte gerade Linie, die von der Rotationsachse ausgeht und in radialer Richtung verläuft, eine nach links und eine nach rechts gekrümmte kreisbogenförmige Leiterbahn der Empfängerspule schneidet, wenn die gerade Linie durch das Innere der Empfängerspule verläuft. Auf diese Weise kann z.B. auch erreicht werden, dass die Amplitude der in der Empfängerspule induzierten Wechselspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen als Sinusfunktion von dem Drehwinkel abhängt.
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Der induktive Positionssensor kann eine Anzahl von n Empfängerspulen umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Die generierten sinusförmigen Signale der n Empfängerspulen können gegeneinander phasenversetzt sein. Beispielsweise können benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(2n) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(n) und/oder 360°/(n) für n≥3 aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau zwei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau drei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 120° aufweisen.
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Die Auswerteeinheit kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein. Die ASIC kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein. Unter einer „anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.
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Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Unter ein „Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen. Unter einem „Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter „sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter „im Wesentlichen sinusförmig“ können Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer „vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Oszillatorschaltung aufweisen. Die Oszillatorschaltung kann beispielsweise einen LC Oszillator treiben, bei welchem die Erregerspule und ein Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Durch die Beaufschlagung der Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse drehwinkelabhängige Signale generieren.
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Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als das mindestens eine erste Ausgangssignal an mindestens einem ersten Ausgang bereitzustellen. Die Bezeichnung als „erstes“ und „zweites“ Ausgangssignal sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob weitere Ausgangssignale vorhanden sind. Unter „Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden, um ein Ausgangsignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Bevorzugt kann die Signalverarbeitung rein analog erfolgen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos-System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der Arkustangens-Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Die untere Grenzfrequenz kann deutlich geringer ausfallen, da lediglich Offsets kompensiert werden sollen, so dass beispielsweise 0,1 Hz ausreichend wäre. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann eingerichtet sein, um die Signale der Empfängerspulen, insbesondere die gefilterten Signale, zu verstärken. Unter „Verstärken“ kann eine Erhöhung einer Amplitude eines Signals verstanden werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter eingerichtet sein, die Signale der Empfängerspulen mit einem DC(Gleichstrom)-Offset zu beaufschlagen. Das erste Ausgangssignal kann von dem ersten Ausgang beispielsweise über mindestens eine elektrische Signalleitung, insbesondere ein Kabel, an das Steuergerät, insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Steuerung, übertragen werden.
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Das Sensorsystem kann mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad aufweisen. Unter einem „Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Das Geberrad kann beispielsweise permanent oder reversibel mit dem rotierenden Element verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einstückig mit dem rotierenden Element ausgebildet oder in das rotierende Element integriert sein. Das Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen. Unter einem „Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden werden, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.
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Das Geberrad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um je nach seiner Stellung Bereiche einer Empfängerspulenstruktur „abzuschatten“. Dadurch kann eine Kopplung zwischen einer Sendespulenstruktur und den Empfängerspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden. Ein typischer Wertebereich eines Kopplungsfaktors kann beispielsweise -0,3 bis +0,3 betragen. Unter einem Koppelfaktor kann dabei insbesondere ein Amplitudenverhältnis zwischen einem Empfangssignal und einem Sende- oder Erregersignal verstanden werden. Der Koppelfaktor kann insbesondere sinusförmig mit dem Drehwinkel verlaufen.
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Die Spulenanordnung kann das Geberrad oder mindestens ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreissegmentförmig oder kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken.
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Das Geberrad kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Flügel können einen ersten Öffnungswinkel a und die elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügel und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel β aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkels kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven Positionssensors entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden sein. Das Geberrad kann an dem rotierenden Element mittels einer Schraub- und/oder Klebeverbindung befestigt sein.
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Das Steuergerät kann eingerichtet sein, um aus Signalen der Empfängerspulen auf eine Winkelposition Φ des Geberrads zu schließen. Das Sensorsystem, insbesondere der induktive Positionssensor, kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen zu erfassen. Das Sensorsystem kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Geberrads bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen eine absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer „relativen Winkelposition“ kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden. Insbesondere kann das Steuergerät derart eingerichtet sein, um mindestens ein Quotientensignal mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tanΦ = sinΦ / cosΦ verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke-Transformation verwendet werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung eingerichtet sein, die Signale des Positionssensors auszuwerten. Bei der Auswerteschaltung kann es sich beispielsweise um einen Prozessor handeln. Die Auswerteeinheit kann insbesondere getrennt von dem Schaltungsträger ausgestaltet sein und kann mit dem Schaltungsträger über mindestens eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, verbindbar sein. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, das erste Ausgangssignal an die Auswerteeinheit zu übermitteln.
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Wie bereits erwähnt kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor sein. Das um die Rotationsachse rotierende Element kann eine Rotorwelle eines Elektromotors sein. Der Elektromotor kann ein Elektromotor eines Kraftfahrzeugs sein. Das zweite Ausgangssignal kann insbesondere Informationen über eine Beschleunigung und/oder Raddrehzahl des Kraftfahrzeugs aufweisen.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines Sensorsystems. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:
- - Erfassen mindestens einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mittels des mindestens einen induktiven Positionssensors;
- - Erzeugen mindestens eines Positionssensorsignals, welches die mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, mittels des Positionssensors
- - Verarbeiten des Positionssensorsignals und Erzeugen mindestens eines ersten Ausgangssignals mittels der Auswerteeinheit, und
- - Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit einem zweiten Ausgangssignal, wobei sich das zweite Ausgangssignal von dem ersten Ausgangssignal unterscheidet.
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Das Verfahren erfolgt unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorsystems verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden. Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So ist nur ein ASIC maximal ASIL C zur Auswertung des induktiven Positionssensors notwendig. Es gibt Einsparpotential in Hard- und Software auf Seite des Inverters. Es kann ggf. eine Auflösung weiterer anderer Sicherheitsmechanismen / Redundanzen durch höhere Integrität des Signals des induktiven Positionssensors geben. Es gibt Einsparpotential im Gesamtsystem (Fahrzeugebene). Es ist die Verwendung etablierter Automotive-tauglicher Inertialsensorik oder Raddrehzahlsensorik möglich.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer vierten Ausführungsform; und
- 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer fünften Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110. Das Sensorsystem 110 ist eingerichtet zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz im Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Bei dem um die Rotationsachse 112 rotierenden Element 114 kann es sich um eine Rotorwelle 116 eines Elektromotors 118 handeln, wie beispielsweise um einen Elektromotor eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer Winkelposition oder Winkelstellung der Rotorwelle 116 eingerichtet sein. Zu diesem Zweck weist das Sensorsystem mindestens einen induktiven Positionssensor 120 auf. Der induktive Positionssensor 120 ist eingerichtet zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements 114 und zum Ausgeben mindestens eines Positionssensorsignals, welches die mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist.
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Das Sensorsystem 110 weist weiterhin mindestens ein mit dem um die Rotationsachse 112 rotierenden Element 114 verbindbares Geberrad 122. So ist das Geberrad 122 an einem stirnseitigen Ende 124 der Rotorwelle 116 angeordnet. Der Positionssensor 120 befindet sich stirnseitig dem Geberrad 122 gegenüber.
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Das Sensorsystem 110 weist weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit 126 auf. Die Auswerteeinheit 126 ist eingerichtet zum Verarbeiten des Positionssensorsignals und zum Ausgeben mindestens eines ersten Ausgangssignals. Die Auswerteeinheit 126 weist mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 128 auf. Die Auswerteeinheit 126 ist am oder genauer im Positionssensor 120 angeordnet. Mit anderen Worten kann die Auswerteeinheit 126 Teil des induktiven Positionssensors 120 oder mit diesem verbunden sein.
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Das Sensorsystem 110 weist weiterhin ein Steuergerät 130 auf. Das Steuergerät 130 ist eingerichtet zum Auswerten des ersten Ausgangssignals. Das Steuergerät 130 weist einen Inverter 132 auf. Bei dem Steuergerät 130 handelt es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät. Der Inverter 132 kann mit dem Steuergerät 130 zu einem Bauteil integriert sein, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, so dass diese auch getrennt voneinander vorliegen können. Das Steuergerät 130 ist über mehrere Leitungen 134 sowohl mit dem Elektromotor 118 als auch mit dem Positionssensor 120 verbunden. Die Anzahl der Leitungen 134 ist dabei nur schematisch angedeutet. So können grundsätzlich alle bekannten Anordnungen von Leitungen 134 vorgesehen sein, d.h. von 4-Pin bis 12-Pin-Designs.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 zeigt insbesondere den Positionssensor 120 mit der Auswerteeinheit 126. Der induktive Positionssensor 120 weist mindestens einen Schaltungsträger 136 und mindestens eine Spulenanordnung 138 auf. Die Spulenanordnung 138 ist auf dem Schaltungsträger 136 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 138 umfasst mindestens eine Erregerspule 140 und mindestens zwei Empfängerspulen 142, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine dargestellt ist. Die Auswerteeinheit 126 ist ebenfalls auf dem Schaltungsträger 136 angeordnet und über Leitungen 138 mit der Erregerspule 140 und den Empfängerspulen 142 verbunden. Die Auswerteeinheit 126 ist eingerichtet, um die von den Empfängerspulen erzeugten Signale zu verarbeiten und als das erste Ausgangssignal an mindestens einen ersten Ausgang 144, wie beispielsweise eine analoge oder digitale Schnittstelle, bereitzustellen. Die Auswerteeinheit 126 ist weiterhin eingerichtet, um ein Erregersignal für die Erregerspule 140 bereitzustellen. Das Erregersignal ist ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal. Das Erregersignal weist beispielsweise eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V auf und eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz auf. Der induktive Positionssensor 120 weist weiterhin passive SMD-Bauteile 146 (SMD = Surface-mounted device - oberflächenmontiertes Bauelement) auf.
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Wie weiter in 2 gezeigt ist, ist der induktive Positionssensor 120 über die Leitungen 144 mit dem Steuergerät 130 verbunden. So ist die Auswerteeinheit an dem ersten Ausgang 144 über mindestens eine erste Ausgabeleitung 148 mit dem Steuergerät 130 verbunden. Das Steuergerät 130 ist weiterhin über Leitungen 150 mit mindestens einem externen System 152 verbindbar. 2 zeigt dabei das Steuergerät 130 in einem mit dem externen System 152 verbundenen Zustand. Das externe System 152 ist beispielsweise eine Fahrdynamikregelung, wie beispielsweise ESP (= Elektronisches Stabilitätsprogramm). Das externe System 152 umfasst mindestens einen Inertialsensor 154. Der Inertialsensor 154 wiederum MEMS (= Micro-Electro-Mechanical Systems - Mikro-elektromechanische Systeme) und einen ASIC. Der Inertialsensor 154 ist zum Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals eingerichtet. Das zweite Ausgangssignal unterscheidet sich von dem ersten Ausgangssignal, insbesondere hinsichtlich seiner enthaltenen Informationen. Das zweite Ausgangssignal ist dem Steuergerät 130 über eine der Leitungen 148 zuführbar. Auf diese Weise ist der Inertialsensor 154 eingerichtet zum Kommunizieren mit dem Steuergerät 130. Das zweite Ausgangssignal weist Informationen über eine Beschleunigung und/oder Drehzahl eines Bauteils und/oder einer Vorrichtung auf.
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Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, ist das Sensorsystem 110 eingerichtet zum Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal. Bei der ersten Ausführungsform ist das Steuergerät 130 eingerichtet zum Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal.
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Nachstehend wird die Betriebsweise des Sensorsystems beschrieben. Der ASIC 128 des Positionssensors 120 erzeugt das Anregungssignal für die Erregerspule 140. Der Positionssensor 120 erfasst die Winkelstellung der Rotorwelle 116 und somit des Rotors wie oben beschrieben mittels des Geberrads 122. Dabei erzeugt der Positionssensor 120 ein Positionssensorsignal. Die Auswerteeinheit 126 empfängt die durch das vorbeifahrende Geberrad 122 modulierte Signale und demoduliert diese. Das Positionssensorsignal wird von der Auswerteeinheit 126 verarbeitet und als erstes Ausgangssignal an das Steuergerät 130 ausgegeben. Die Auswerteeinheit 126 übergibt am ersten Ausgang 144 über die erste Ausgabeleitung 148 die demodulierten Sinus- und Kosinussignale an die Leistungselektronik des Inverters 132 des Steuergeräts 130. Der Inverter 132 des Steuergeräts 130 berechnet dann basierend auf dem ersten Ausgangssignal die Winkelstellung der Rotorwelle 116.
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Zur Erfüllung der Anforderungen an die funktionale Sicherheit und zur Vermeidung von Redundanzen im induktiven Positionssensor 120 wird nun die Nutzung einer extern vorhandenen, physikalisch unabhängigen Plausibilisierungsgröße auf Basis von externen Sensorsignalen vorgeschlagen. Das externe System 152 nutzt den Inertialsensor 154, der Beschleunigungen, Drehraten und/oder Raddrehzahlen erfassen kann. Dadurch ist es möglich, den Fahrzustand des Fahrzeugs zur ermitteln. Die erfassten Informationen über die Beschleunigungen, Drehraten und/oder Raddrehzahlen werden als zweites Ausgangssignal dem Steuergerät 130 zugeführt. Die Plausibilisierung des erstens Ausgangssignals erfolgt dann im Inverter 132 des Steuergeräts 130, der das externe, zweite Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal des induktiven Positionssensors 120 vergleicht.
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Durch die Implementierung eines physikalisch unabhängigen Überwachungsmechanismus ist es möglich, eine Fehlfunktion des induktiven Positionssensors 120 bzw. dessen ASIC 128 zu erkennen. So können durch die Nutzung der externen Sensorsignale, wie beispielsweise Intertialsensorik für ESP oder Raddrehzahlsensoren, die Signale des induktiven Positionssensors 120 verglichen werden. Kerngedanke ist die Kopplung des Gesamtfahrzeugs mit dem induktiven Positionssensor 120 und damit mit den unabhängigen Sensoren des externen Systems 152. Die am Gesamtfahrzeug wirkenden Kräfte können so mit dem Signal des induktiven Positionssensors 120 plausibilisiert werden. Sicherheitskritische Fehlfunktionen, wie das ungewollte Beschleunigen, können damit erkannt werden. Das Steuergerät 130 bzw. der Inverter 132 reagiert dann mit dem Rückfall in sichere Betriebszustände.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 110 der zweiten Ausführungsform weist der induktive Positionssensor 120 weiterhin einen Inertialsensor 154 auf. Das zweite Ausgangssignal ist ein Ausgangssignal des Inertialsensors 154. Das Positionssensorsignal des induktiven Positionssensors 120 wird von der Auswerteeinheit 126 verarbeitet und als erstes Ausgangssignal in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform über die erste Ausgabeleitung 148 dem Steuergerät 130 zur Berechnung der Winkelposition zugeführt. Das zweite Ausgangssignal des Inertialsensors 154 wird ebenfalls über die erste Ausgabeleitung 148 dem Steuergerät 130 zugeführt. Dies ist beispielsweise möglich, indem der erste Ausgang 144 als digitale Schnittstelle ausgebildet ist. Die Plausibilisierung des erstens Ausgangssignals erfolgt dann im Inverter 132 des Steuergeräts 130, der das zusätzliche, zweite Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal des induktiven Positionssensors 120 vergleicht.
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Durch die Implementierung eines physikalisch unabhängigen Überwachungsmechanismus ist es möglich, eine Fehlfunktion des induktiven Positionssensors 120 bzw. dessen ASIC 128 zu erkennen. So kann der Inertialsensor 154 Beschleunigungen oder Drehraten erfassen und diese mit dem Signal des induktiven Positionssensors 120 vergleichen. Kerngedanke ist die Kopplung des Gesamtfahrzeugs mit dem induktiven Positionssensor 120 und damit auch mit dem Inertialsensor 154. Die am Gesamtfahrzeug wirkenden Kräfte können so unabhängig von anderen Systemen wie beispielsweise der Inertialsensorik im ESP erfasst werden. Sicherheitskritische Fehlfunktionen, wie das ungewollte Beschleunigen, können damit erkannt werden. Das Steuergerät 130 bzw. der Inverter 132 reagiert dann mit dem Rückfall in sichere Betriebszustände.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer dritten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 110 der dritten Ausführungsform weist der induktive Positionssensor 120 einen zweiten Ausgang 156 für den Inertialsensor 154 auf. Der zweite Ausgang 156 ist über eine zweite Ausgabeleitung 158 mit dem Steuergerät 130 verbunden. Das Positionssensorsignal des induktiven Positionssensors 120 wird von der Auswerteeinheit 126 verarbeitet und als erstes Ausgangssignal in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform über die erste Ausgabeleitung 148 dem Steuergerät 130 zur Berechnung der Winkelposition zugeführt. Das zweite Ausgangssignal des Inertialsensors 154 wird getrennt über die zweite Ausgabeleitung 158 dem Steuergerät 130 zugeführt. Die Plausibilisierung des erstens Ausgangssignals erfolgt dann im Inverter 132 des Steuergeräts 130, der das zusätzliche, zweite Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal des induktiven Positionssensors 120 vergleicht.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer vierten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 110 der vierten Ausführungsform weist der induktive Positionssensor 120 weiterhin eine Plausibilisierungsschaltung 160 auf. Die Plausibilisierungsschaltung 160 ist auf dem Schaltungsträger 136 angeordnet. Die Plausibilisierungsschaltung 160 ist mit der Auswerteeinheit 126 und dem Inertialsensor 154 verbunden. Die Plausibilisierungsschaltung 160 ist eingerichtet zum Plausibilisieren des ersten Ausgangssignals mittels Vergleichens des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal. Die Auswerteeinheit 126 ist eingerichtet zum Ausgeben des plausibilisierten ersten Ausgangssignals an das Steuergerät 130. Bei der vierten Ausführungsform weist der induktive Positionssensor 120 somit nicht nur den zusätzlichen Inertialsensor 154 auf, sondern eine Schaltung, die die Plausibilisierung der beiden Ausgangssignale ermöglicht. Die Plausibilisierungsschaltung 160 kann beispielsweise mit gewissen Toleranzen versehen werden, so dass in Abhängigkeit des Fahrzustands nur tatsächlich kritische Abweichungen an den Inverter 132 des Steuergeräts 130 gemeldet werden. Diese Meldung kann beispielsweise über eine zusätzliche Signalcodierung erreicht werden, die kontinuierlich die Gültigkeit des plausibilisierten Signals bestätigt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer fünften Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 110 der fünften Ausführungsform weist das Steuergerät 130 weiterhin einen Inertialsensor 154 auf. Das zweite Ausgangssignal ist ein Ausgangssignal des Inertialsensors 154. Das Positionssensorsignal des induktiven Positionssensors 120 wird von der Auswerteeinheit 126 verarbeitet und als erstes Ausgangssignal in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform über die erste Ausgabeleitung 148 dem Steuergerät 130 zur Berechnung der Winkelposition zugeführt. Das zweite Ausgangssignal des Inertialsensors 154 wird direkt dem Steuergerät 130 zugeführt bzw. liegt diesem aufgrund der Anordnung des Inertialsensors 154 im Steuergerät 130 vor. Die Plausibilisierung des erstens Ausgangssignals erfolgt dann im Inverter 132 des Steuergeräts 130, der das zusätzliche, zweite Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal des induktiven Positionssensors 120 vergleicht.
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Durch die Implementierung eines physikalisch unabhängigen Überwachungsmechanismus ist es möglich, eine Fehlfunktion des induktiven Positionssensors 120 bzw. dessen ASIC 128 zu erkennen. So können durch die Nutzung von Intertialsensorik auf dem Inverter 132 des Steuergeräts 130 selbst die Signale des induktiven Positionssensors 120 plausibilisiert werden. Kerngedanke ist die Kopplung des Gesamtfahrzeugs mit dem induktiven Positionssensor 120 und dem Inverter 132 und damit mit den darauf angebrachten Inertialsensoren. Die am Gesamtfahrzeug wirkenden Kräfte wirken somit auch auf den Inverter. Sicherheitskritische Fehlfunktionen, wie das ungewollte Beschleunigen, können damit erkannt werden. Das Steuergerät 130 bzw. der Inverter 132 reagiert dann mit dem Rückfall in sichere Betriebszustände.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können wie folgt modifiziert werden. Der Sensor muss nicht zwingend am Schaftende („end-of-shaft“) bzw. Rotorwelle sitzen, sondern kann beispielsweise halbmondförmig oder bogenförmig (Kreissegment) an beliebiger Stelle der Welle sitzen. Auch eine Ausführung des Sensors als „trough-shaft“, das heißt Sensor mit kreisrunder Öffnung, ist grundsätzlich realisierbar. Der Sensor kann so an beliebiger Stelle entlang der Welle sitzen. Das Geberrad kann somit bei Segment- bzw. Kreisbogenausführung des Sensors an der jeweiligen Stelle entlang der Welle angebracht sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem ist der Signalpfad analysierbar und damit nachweisbar. Ist die Inertialsensorik als SMD-Bauteil montiert, ist diese visuell nachweisbar. Die Inertialsensorik auf dem Inverter ist visuell nachweisbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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