DE112012002160T5

DE112012002160T5 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE112012002160T5
Application number: DE112012002160.6T
Authority: DE
Inventors: Joong K. Lee; Lingmin Shao; Ryan W. Elliott
Original assignee: KSR Technologies Co
Current assignee: KSR Technologies Co
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2014-03-06
Also published as: CN103547890A; US20120293166A1; CN103547890B; BR112013029566A8; JP2014517289A; KR101904862B1; KR20140040719A; BR112013029566A2; US8947077B2; WO2012156815A1

Abstract

Ein Drehwinkelsensor mit einer Sendespule, die durch eine Hochfrequenzsignalquelle angeregt wird. Eine erste und eine zweite Empfängerspule, die jeweils mindestens zwei gegenläufig gewickelte Schleifen umfassen, sind drehbar angeordnet und um elektrische 90 Grad in Bezug zueinander angeordnet. Die Empfängerspulen sind so angeordnet, dass sie induktiv mit der Sendespule gekoppelt sind, während ein Koppler, der aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist, drehbar über der ersten und zweiten Empfängerspule positioniert ist und mit diesen induktiv gekoppelt ist. Die Ausgaben der ersten und zweiten Empfängerspule sind jeweils durch einen Hochpassfilter und einen Tiefpassfilter gekoppelt, wodurch eine 90 Grad-Phasenverschiebung im dem resultierenden Signal erzeugt wird. Diese Signale werden zusammen summiert und als ein Eingangssignal an einer PWM-Schaltung zusammen mit einem Signal der Sendespule gekoppelt.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 61/487,755. welche am 19. Mai 2011 eingereicht wurde, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
I. GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Drehwinkelsensoren.
II. STAND DER TECHNIK
Es gibt viele verschiedene Situationen, in denen der Drehwinkel eines Sensors bestimmt werden muss. Beispielsweise enthalten die meisten modernen Kraftfahrzeuge einen Drosselklappensensor, der die Drehstellung der Drosselklappe erfasst und ein elektrisches Ausgabesignal erzeugt, das kennzeichnend für diese Position ist. Das elektrische Signal wird dann elektrisch mit einer Motorsteuerungs-Einheit verbunden, die den gesamten Betrieb der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs als eine Funktion der Position oder des Niederdrückens der Drosselklappe steuert.
In der Regel umfassen die bisher bekannten Drosselklappensensoren einen drehbaren Körper, der an der Drosselklappenwelle befestigt ist, so dass der Körper und die Drosselklappenwelle im Einklang miteinander drehen. Folglich deutet die Drehposition des Sensors auf die Drehposition der Drosselklappenwelle und damit auf das Niederdrücken der Drosselklappe hin.
Bei einer Art eines bisher bekannten Drosselklappensensors wird eine Sendespule auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ausgebildet und durch ein Hochfrequenz-Signal erregt, beispielsweise 4 MHz. Eine Empfängerspule ist ebenfalls auf der PCB ausgebildet und in mehreren Segmenten um die PCB-Platte herum angeordnet, wobei jedes Segment entgegengesetzt zu den benachbarten Segmenten gewickelt ist.
Ein Koppler ist dann drehbar relativ zu der PCB-Platte angebracht, so dass der Koppler eben ist und einen Teil der PCB-Platte überlappt. Der Koppler ist aus einem elektrisch leitenden Material aufgebaut, so dass eine Drehung des Kopplers relativ zu der PCB-Platte die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und Empfängerspule variiert, und somit die Spannungsausgabe der Empfängerspule variiert. Folglich ist die Spannungsausgabe an der Empfängerspule proportional zum relativen Drehwinkel des Kopplers und der Drehposition der Drosselwelle, da der Koppler drehbar mit der Drosselwelle verbunden ist, und damit dem Niederdrücken der Drosselklappe.
Diese vorbekannten Drosselklappensensoren haben jedoch mehr als zwei Sätze von Empfängerspulen. Daher sind sie komplexer aufgebaut. Darüber hinaus sind die Drehmelder sperrig aufgebaut.
Eine weitere Beschränkung der vorbekannten Drosselklappensensoren ist, dass es in bestimmten Situationen schwierig war, eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Zum Beispiel kann die Ausgabe der Empfängerspule als eine Funktion der Temperatur variieren, die wiederum eine Ungenauigkelt in dem Ausgabesignal der Empfängerspule erzeugt. In ähnlicher Weise können geringe Fertigungstoleranzen, wie die Position des Kopplers relativ zu der PCB-Platte und/oder das Kippen des Kopplers, ebenfalls zu einer ungenauen Ausgabe der Empfängerspule führen.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Positionssensor zur Verfügung, der die oben erwähnten Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen vermeidet und es ermöglicht, das Prinzip des Drehmelders in einer PCB-Platte mit zwei Empfängerspulen und einem einfachen Signalformer umzusetzen.
Kurz zusammengefasst umfasst der Positionssensor der vorliegenden Erfindung eine PCB-Platte, wie bei den bisher bekannten Positionssensoren, inklusive einer Sendespule, die auf der Leiterplatte ausgebildet ist. Die Sendespule wird durch ein Hochfrequenz-Signal erregt, wie beispielsweise ein sinusförmiges Signal von etwa 4 MHz.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Positionssensoren sind zwei Empfänger Spulen ebenfalls auf der Leiterplatte ausgebildet. Jede Spule umfasst zwei winklig angrenzende und entgegengesetzt gewickelte Abschnitte. Ferner sind die beiden Empfängerspulen winkelmäßig voneinander um einen bekannten Winkelabstand versetzt, vorzugsweise um ein geometrischen Winkel mit einer Magnitude, so dass der elektrische Phasenwinkel, beispielsweise ein elektrischer Winkel, elektrische 90 Grad beträgt.
Ein elliptischer Koppler ist dann relativ zu der PCB-Platte drehbar angeordnet, so dass der Koppler wenigstens einen Teil der Sendespule und der zwei Empfängerspulen überlappt. Dieser Koppler, der drehbar mit der Drosselklappenachse gekoppelt ist, variiert die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und den beiden Empfängerspulen in einem variierenden Umfang, der proportional zum Drehwinkel des Kopplers ist. Weiterhin stehen die zwei Empfängerspulen so in einem geometrischen Winkelabstand zueinander, dass der elektrische Winkelabstand von 90 Grad zueinander erzeugt wird, so dass das Ausgabesignal der ersten Empfängerspule als eine Funktion von sinθ variiert, während die Ausgabe der zweiten Empfängerspule als eine Funktion von cosθ variiert, wobei θ gleich der Winkelposition des Kopplers ist. Folglich stellt ein solches System ein In-Phasen-Signal von cos und ein Quadratur-Signal von sin zur Verfügung, die orthogonal sind und jeweils in einem kartesischen Decoder dekodiert werden können.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Phasenverschiebung von elektrischen 90 Grad zwischen den beiden Empfängerausgaben eingeführt, um die Ausgabesignale der beiden Empfängerspulen zu dekodieren. Dies wird vorzugsweise durch Einführen einer +45 Grad-Phasenverschiebung in der Ausgabe einer Empfängerspule und einer –45 Grad-Phasenverschiebung in der Ausgabe der anderen Empfängerspule erreicht. Diese beiden Ausgaben werden dann zusammen multipliziert, vorzugsweise nach einer Temperaturkompensation, um das Ausgabesignal –cos(ωt + θ) zu erzeugen, wobei θ gleich der Winkelstellung des Kopplers und damit der Drosselklappenachse entspricht. Dieses Signal wird dann mit einem Signal cos(ωt) der Sendespule als eine Eingabe mit einem Pulsweitenmodul gekoppelt, so dass das Tastverhältnis des Pulsweitenmoduls direkt proportional zu θ ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ermöglicht, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen, und in denen:
1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wenn die Signalspulen auf die PCB aufgedruckt werden. Im Vergleich dazu werden bei bestehenden Drehmeldern die Signalspulen nicht auf die PCB aufgedruckt.
2 nur das 2-Pol-System darstellt, und eine mehr als 2-polige Erweiterung leicht gemäß der nachfolgenden Beschreibungsseiten vorgenommen werden kann. Der vorwärts gewickelte leitfähige Draht kann eine beliebige Anzahl von Polaritäten aufweisen, und der rückwärts gewickelte Draht kann die gleiche Anzahl von Polaritäten aufweisen. Diese sind auf der gleichen Ebene ohne überlappende Bereiche aufgedruckt.
3a, 3b und 3c Ansichten sind, die verschiedene Konfigurationen für den Koppler darstellen;
4 eine schematische Ansicht die die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 eine schematische Ansicht die eine alternative Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorteils 20 der vorliegenden Erfindung gezeigt, diese umfasst eine kreisförmige Sendespule 22, die auf einer Leiterplatte (PCB) ausgebildet ist. Die Sendespule 22 wird von einer Hochfrequenz-Sinuswelle von einer Quelle 24 mit ungefähr 4 MHz erregt. Andere Frequenzen können natürlich alternativ verwendet werden.
Eine erste Empfängerspule 26 mit mindestens zwei gegenläufig gewickelten Schleifen 28 und 30 ist ebenfalls auf der PCB 25 ausgebildet. Die erste Empfängerspule 26 umfasst zwei Enden 32, die das Ausgabesignal von der Empfängerspule 26 formen.
In ähnlicher Weise ist eine zweite Empfängerspule 34 mit wenigstens zwei gegenläufig gewickelten Schleifen 36 und 38 auch auf der PCB 25 ausgebildet. Die Enden 40 der zweiten Empfängerspule 34 formen das Ausgabesignal von der zweiten Empfängerspule 34.
Die Schleifen der ersten Empfängerspule 26 und der zweiten Empfängerspule 34 sind relativ zueinander um elektrische 90 Grad verdreht. Somit sind bei Erregung der Sendespule 22 die sinusförmige Ausgabe an den Ausgängen oder Enden 32 und 40 der ersten Empfängerspule 26 und der zweiten Empfängerspule 34 orthogonal zueinander angeordnet, beispielsweise durch einen Offset um elektrische 90 Grad in der Phase, so dass die erste Empfängerspule 26 ein Sinus-Signal erzeugt und die zweite Empfängerspule 34 ein Cosinus-Signal erzeugt.
Mit Bezug auf die 2 ist ein elliptischer Koppler 50 drehbar um eine Achse 52 auf der PCB montiert. Diese Achse 52 ist in Flucht mit der Achse der beiden Empfängerspulen 26 und 34 sowie der Sendespule 22 ausgerichtet. Die Rolle des elliptischen Kopplers ist es, ein möglichst reines sinusförmiges Signal von den Empfängerspulen 26 und 34 zu erzeugen, so dass das Signal in der Form der Phase θ nicht verfälscht wird. Immer, wenn der Koppler vom ellipsenförmigen Kreis abweicht, weicht das resultierende Signal vom sinusförmigen ab.
Mit Bezug auf die 3a, 3b und 3c werden verschiedene Konfigurationen für den Koppler 50 gezeigt, mit zwei ”lobes” (englisch), nachfolgend wird ”lobes” mit Lappen bezeichnet, drei Lappen und vier Lappen. In der Praxis wird die Anzahl der Lappen des Kopplers 50 ausgewählt, um die Auflösung des Sensors über den maximalen Winkelbereich des Sensors zu maximieren. Wenn beispielsweise der maximale Winkel der durch den Sensor gemessen wird 180 Grad beträgt, wird ein Zwei-Lappen-Koppler 50, wie in 3a gezeigt, ausgewählt. Wenn jedoch der maximale Winkel der durch den Sensor gemessen wird 120 Grad beträgt, wird ein Drei-Lappen-Koppler 50', wie in 3b gezeigt, ausgewählt, dieses bietet eine bessere Auflösung als ein Zwei-Lappen-Koppler. Ebenso wird ein Vier-Lappen-Koppler 50'', wie in 3c gezeigt, ausgewählt, wenn der durch den Sensor gemessene maximale Winkel elektrische 90 Grad beträgt, wodurch eine noch bessere Auflösung zur Verfügung gestellt wird, und so weiter.
Da die Empfängerspulen 26 und 34 eine geringe Quellenimpedanz der Spannungsquelle aufweisen, hat die Ausgabe eines Hochpassfilters einen elektrischen 90 Grad Phasenwinkel Unterschied zu einem Tiefpassfilter, wenn die passiven Komponenten in beiden Filtern den gleichen Wert pro Typ haben, beispielsweise Kondensator und Widerstand. Unter Bezugnahme nun auf 4 wird das Spannungssignal von der ersten Empfängerspule 26 als ein Eingangssignal an einen Hochpaßfilter 59 gekoppelt, der durch einen Kondensator 62 und Widerstand 64 ausgebildet wird. In ähnlicher Weise wird das Spannungssignal von der zweiten Empfängerspule 34 als ein Eingangssignal an einen Tiefpassfilter 63 gekoppelt, der durch einen Widerstand 68 und einen Kondensator 71 ausgebildet wird. Ferner bilden die Ausgabesignale von den beiden Filtern 59 und 63 Quadratur-Signale zur Summierung, um das Signal θ zu erzeugen. Jedoch hat jedes Signal des Quadratur-Signalpaars eine Magnitudenabweichung aufgrund von Temperatur und Frequenz, weil die Impedanz des Kondensators und des Widerstands durch Temperatur und Frequenz variieren.
Die Signale 26 und 34 durchlaufen verschiedene passive Filter und die jeweiligen Ausgaben Q und I von den Filtern 59 und beziehungsweise 63 werden jeweils unterschiedlich durch Temperatur und Frequenz beeinflusst. Da die Ausgabe Q durch den Hochpassfilter 59 gelangt, während die andere Ausgabe I durch den Tiefpassfilter 63 gelangt, haben die beiden Ausgaben unterschiedliche Temperatur- und Frequenzeinflüsse.
Eine Temperatur- und Frequenz-Kompensation erfolgt durch Verwendung eines passenden Tiefpassfilters 81, der durch einen Kondensator 92 und einem Widerstand 90 ausgebildet wird, und eines Hochpassfilters 63, der durch einen Kondensator 84 und einem Widerstand 86 ausgebildet wird. Insbesondere durchläuft die Ausgabe eines Oszillators 82 den Hochpaßfilter 81 und den Tiefpassfilter 83, und die beiden Zweigausgaben von den Filtern 81 und 83 haben unterschiedliche Temperatur- und Frequenzeinflüsse. Unter der Annahme, dass der Tiefpassfilter und Hochpassfilter konsistente Eigenschaften für Temperatur und Frequenz haben, wenn die Ausgabe Q vom Hochpassfilter 59 durch einen Multiplizierer 110 mit der Ausgabe 95 des Tiefpassfilters 81 multipliziert wird, dann hat die Ausgabe des Multiplizierers 110 die gleichen Eigenschaften wie die Ausgabe eines Multiplizierers 112, der die Ausgabesignale der anderen Tief- und Hochpassfilter 63, beziehungsweise 83, multipliziert, wodurch eine automatische Temperaturkompensation zur Verfügung gestellt wird.
Die Widerstände und Kondensatoren in allen Filtern werden alle mit den gleichen Eigenschaften ausgewählt, um konsistente Tiefpassfilter- und Hochpassfiltereigenschaften beizubehalten. Zum Beispiel haben alle Widerstände einen Impedanzwert mit den gleichen Eigenschaften, genauso alle Kondensatoren, so dass die Multiplikation der Ausgaben der entsprechenden Filter Paare konsistent ist. Vorzugsweise sind alle diese passiven Komponenten aus dem gleichen Verfahren, wie CMOS-Verfahren, auf demselben Die.
Um eine Multiplikation zu ermöglichen, sind die Peak-Detektoren 88 und 94 jeweils in Reihe zwischen den Filtern 83 und 81 und den Multiplizierern 112 und 110 geschaltet, die fast ein Gleichstrom-Signal erzeugen, so dass die Ausgabe der Multiplizierer 110 und 112 die Netzfrequenz ω aufrechterhalten kann. Darüber hinaus wird diese Frequenz ω verwendet, um den Zeitstempel festzulegen, und um durch den Vergleich der beiden Zeitstempel, einer von der Signalleitung und der andere von dem Oszillator 82, ein PWM-Signal durch einen PWM-Generator zu erzeugen.
Der in 4 dargestellte Oszillator 82 ist vorzugsweise der gleiche Oszillator wie die Sendequelle 24 (1). Jedoch können auch andere Arten von Oszillatoren, wie ein Kristall- oder piezoelektrischer Oszillator, alternativ verwendet werden.
Die Ausgaben der beiden Multiplizierer 110 und 112 bilden Quadratur-Signale und die Ausgaben der beiden Quadratur-Multiplizierer 110 und 112 werden an einer Summierschaltung 96 summiert. Daher ist eine Ausgabe 98 von der Summierschaltung 96 gleich –cos(ωt + 8), wobei 8 dem Winkel des Drosselklappensensors gleicht. Dieses Ausgabesignal 98 wird als ein Eingangssignal mit einen Pulsweitenmodulations-Modul 100 über einen Schmitt-Trigger 101 verbunden.
Das Pulsweitenmodulations-Modul 100 empfängt auch eine Eingabe von cos(ωt + const), die von dem Eingang zu dem Peak-Detektor 88 aufgenommen wird. Die Konstante const wird vorzugsweise auf Null gesetzt, so dass die Phasenverschiebung zwischen dem Eingang 98 und dem Eingang 102 des Pulsweitenmoduls direkt proportional zu der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen ist. Das Pulsweitenmodul 100, in einer herkömmlichen Art und Weise, generiert an seiner Ausgabe 104 ein Signal, das ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis direkt proportional zu θ ist. Jeder herkömmliche Algorithmus kann dann verwendet werden, um 8 zu berechnen.
Mit Bezug auf 5 wird ein vereinfachtes Schaltbild zur Verwendung in Situationen dargestellt, in denen die Frequenz stabil ist, wie beispielsweise ein Piezo-Oszillator, und der Widerstand und die Kapazität nicht merklich variieren. Dadurch kann die Temperatur- und die Frequenz-Kompensationsschaltung eingespart werden, wodurch sich ein einfacher, kostengünstiger, aber genauer Positions-Drehmelder ergibt. Dies wird teilweise durch die Verwendung eines stabilen Oszillator als treibende Frequenz erreicht.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen einfachen, aber einzigartigen Drehwinkelsensor zur Verfügung stellt, der in der Lage ist eine hochgenaue, temperaturkompensierende Winkelerfassung bis zu den vollen 180 Grad zu generieren, durch Verwendung von zwei Empfängerspulen mit einem elektrischen Phasenwinkel Offset von elektrischen 90 Grad, und vorzugsweise einem elliptischen Koppler. Und auch mit der Anpassung der Anzahl der Polaritäten kann das System kleine Winkel mit hoher Auflösung messen. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein vereinfachtes System für einen kartesischen Decoder mit Quadratur-Oszillator zur Verfügung, der passive Elemente verwendet, aus denen die Quadratur-Signale abgeleitet werden. Automatische Temperaturkompensation und Antriebsfrequenzkompensationen werden auch erreicht.

Claims

Drehwinkelsensor umfassend: eine Sendespule geeignet zur Erregung durch eine Hochfrequenz-Signal-Quelle, eine erste Empfänger-Spule mit mindestens zwei gegenläufig gewickelten Schleifen, wobei die erste Empfängerspule induktiv mit der Sendespule gekoppelt ist, eine zweite Empfängerspule mit mindestens zwei gegenläufig gewickelten Schleifen, wobei die zweite Empfängerspule relativ zu der ersten Empfängerspule um elektrisch 90 Grad verdreht angeordnet ist und induktiv mit der Sendespule gekoppelt ist, einen Koppler, der aus einem elektrisch leitenden Material aufgebaut ist, und mindestens zwei Lappen aufweist, wobei der Koppler drehbar über der ersten und zweiten Empfängerspule angeordnet ist und mit der ersten und zweiten Empfängerspule induktiv gekoppelt ist, einen Signal-Summierer mit zwei Eingängen und einer Ausgabe, wobei die erste Empfängerspule elektrisch über einen Tiefpaßfilter mit einem Eingang des Signal-Summierers verbunden ist, wobei die zweite Empfängerspule elektrisch über einen Hochpassfilter mit dem anderen Eingang des Signal-Summierers verbunden ist, wobei die Ausgabe des Signal-Summierers elektrisch mit einer Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist, welche eine Ausgabe mit einem Tastverhältnis proportional zu dem Drehwinkel des Kopplers produziert.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Pulsweitenmodulationsschaltung auch das Ausgabesignal der Hochfrequenz-Signalquelle empfängt.
Sensor nach Anspruch 2, wobei das Ausgabesignal von der Hochfrequenz-Signalquelle und die Ausgabe des Signal-Summierers als Eingänge zu einem Schmitt-Trigger hin verbunden sind, wobei dessen Ausgabe als ein Eingangssignal mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Hochpassfilter und der Tiefpassfilter jeweils aus passiven Komponenten aufgebaut sind.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der Hochpassfilter und der Tiefpassfilter jeweils einen Widerstand und einen Kondensator umfassen.
Sensor nach Anspruch 1 umfassend eine Temperaturkompensationsschaltung, die als Eingangssignale mit dem Signal-Summierer verbunden sind.
Sensor nach Anspruch 6, wobei die Temperaturkompensationsschaltung umfasst: einen zweiten Hochpassfilter und einen zweiten Tiefpassfilter, wobei die Hochfrequenzquelle als ein Eingang mit beiden verbunden ist, sowohl mit dem zweiten Hochpassfilter als auch mit einem zweiten Tiefpassfilter, einen ersten und einen zweiten Signal-Multiplizierer, wobei jeder der Signal-Multiplizierer zwei Eingänge und eine Ausgabe aufweisen, eine Ausgabe des ersten Tiefpassfilters und eine Ausgabe des zweiten Hochpassfilters, die als Eingangssignale mit dem ersten Signal-Multiplizierer verbunden sind, eine Ausgabe des zweiten Tiefpassfilters und eine Ausgabe des ersten Hochpassfilters, die als Eingangssignale mit dem zweiten Signal-Multiplizierer verbunden sind, wobei die Ausgabesignale von den Signal-Multiplizierern als Eingangssignale mit dem Signal-Summierer verbunden sind.
Sensor nach Anspruch 7 umfassend ein Paar Peak-Detektoren, wobei jeweils ein Peak-Detektor in Reihe zwischen dem zweiten Tiefpassfilter und dem zweiten Hochpassfilter und ihren jeweiligen Multiplizierern geschaltet ist.