WO2020030337A1 - Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements - Google Patents

Sensorsystem zur bestimmung mindestens einer rotationseigenschaft eines rotierenden elements Download PDF

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WO2020030337A1
WO2020030337A1 PCT/EP2019/065767 EP2019065767W WO2020030337A1 WO 2020030337 A1 WO2020030337 A1 WO 2020030337A1 EP 2019065767 W EP2019065767 W EP 2019065767W WO 2020030337 A1 WO2020030337 A1 WO 2020030337A1
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WO
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sensor system
evaluation unit
specific integrated
signals
integrated circuit
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Application number
PCT/EP2019/065767
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Utermoehlen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/032—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure affecting incoming signal, e.g. by averaging; gating undesired signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element

Definitions

  • asynchronous machines For example, to implement traction in electric vehicles, either asynchronous machines or synchronous machines are often used, each of which consists of a stationary stator and a rotating rotor.
  • the stator generally carries three winding strands, for example offset by 120 ° / p to one another, where p represents a number of pole pairs.
  • the rotor In asynchronous machines, the rotor usually consists of electrically conductive rods which are short-circuited at the ends. When a rotor field rotates, a voltage can be induced in the rods, which causes a current to flow, which in turn turns on
  • the rotor comprises a rotor which carries an excitation coil in which a direct current flows and generates a static magnetic field.
  • a permanent magnet can be used as the rotor. Then it is about a permanently excited synchronous machine, which has a higher efficiency due to the powerless excitation and so for
  • a speed of the rotor can be identical to the speed of an excitation field.
  • the torque can depend on a phase offset, that is to say an angular difference between the stator field and the rotor.
  • Asynchronous machines know the speed of the rotor and for synchronous machines an absolute angular position of the rotor.
  • Transmitter in which a rotor package is mounted on the shaft of the motor at a fixed speed.
  • An excitation coil and several receiver coils are mounted on a stator all the way round in a ring.
  • An AC voltage signal is applied to the excitation coil and passes through the entire arrangement with an alternating electromagnetic field.
  • a sinusoidal amplitude-modulated voltage can be induced in a first receiver coil, while a cosine-shaped amplitude-modulated voltage is induced in a second receiver coil.
  • a resolver is a purely passive one
  • Electromagnetic resolvers are also known, for example from DE 10 2013 203 937. However, optical resolvers are necessary in addition to high costs, a principle-related cross-sensitivity to dirt and therefore cannot be used in every environment.
  • inductive absolute angle sensors based on distributed planar coils, the inductance of which changes as a result of an electrically conductive target due to the
  • DE 10 2014 220 458 A1 describes a rotating component which is coupled to a disk-shaped target which has at least one metal surface and, in conjunction with a coil arrangement which has at least one flat detection coil, generates information for determining the current angle of rotation of the rotating component.
  • the coils are often connected in a resonant circuit whose resonance frequency changes depending on the angle of rotation.
  • such sensors can have a high cross-sensitivity to mechanical installation tolerances, especially when the target is tilted, and a possible locking of the frequencies to interference from outside, so-called injection locking, since frequencies in the range of a few MHz are usually used.
  • Absolute angle sensors based on coupled coils. These consist of at least two receiver coils integrated on a printed circuit board as well as a rotating excitation coil.
  • the excitation coil can with a
  • AC voltage signal with a frequency between 1 MHz and 10 MHz are applied and generates an alternating electromagnetic field, which induces voltages in the receiving coils.
  • the coupling between the transmitter coil and the receiver coils can be influenced as a function of the angle of rotation by scanning over them with an electrically conductive target structure.
  • the embodiment described in EP 0 909 955 B1 can have a complex loop-shaped target structure, which causes high manufacturing costs. Furthermore, the interruptions or cutouts in the target can become undesirable, especially at high speeds
  • Signal processing chain can be performed.
  • Magnetic field-based rotation angle sensors for rotor position detection are also known, for example from EP 0 056 303 A2.
  • a magnet is attached to a rotor, which rotates in relation to a fixed magnetic field sensor.
  • the magnet can be magnetized diametrically, that is, the magnet can have two oppositely magnetized regions, which are each of the same size, for example each 180 ° and arranged symmetrically with respect to an axis of rotation.
  • the measurement of the magnetic field vector allows conclusions to be drawn about the angle of rotation.
  • Known embodiments for the detection of the magnetic field vector are based
  • GMR giant magnetoresistance
  • TMR magnetic tunnel resistance
  • AMR anisotropic magnetoresistive effect
  • absolutely measuring magnetic field sensors also react to external magnetic fields, which result, for example, from a current flow from adjacent power cables. This is the case, for example, with electrical machines for traction applications, where external fields occur due to the rotating rotor of the frequently used permanently excited synchronous machine and the corresponding leads of the stator coils.
  • the angular errors can depend on the strength of the external field and on the angular position of the sensor.
  • Methods to suppress external fields include differential measurements with more than one magnetic field sensor and use of a multi-pole magnetic target. The angular accuracy of the sensor can be reduced accordingly. Furthermore, such
  • the method can only be effective in the case of low or gradient-free interference fields.
  • a sensor system for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one rotational axis.
  • a “sensor” is basically understood to mean any device which is suitable for detecting at least one measurement variable.
  • a “system” is a device comprehensively understood at least two components.
  • the sensor system comprises at least one inductive position sensor and at least one evaluation unit.
  • An inductive position sensor for detecting at least one rotational property is accordingly understood to be a sensor which is set up to detect the at least one
  • rotational characteristic is basically understood to be a property that at least partially describes the rotation of the rotating element. This can be, for example, an angular velocity, a speed, a
  • the rotating element can at least partially characterize a continuous or discontinuous, uniform or non-uniform rotation or rotation of the rotating element.
  • Rotation property is a position, in particular an angular position, a speed, an angular acceleration or a combination of at least two of these quantities. Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
  • an “angular position” basically means an angle of rotation of a device capable of rotation, for example the rotating element or a sensor wheel of the sensor system, with respect to an axis perpendicular to the axis of rotation.
  • the inductive position sensor can be an inductive rotor position sensor or
  • Rotor position sensor can in principle be understood in the context of the present invention to be any sensor that can generate a signal corresponding to a detected property, in particular a measurement signal, in particular an electrical measurement signal, for example a voltage or a current, wherein the measurement signal is generated is based on a change in magnetic flux.
  • the detected property can include a position, for example an angular position.
  • the inductive position sensor can be an inductive magnetic sensor.
  • the sensor system can in particular be set up for use in a motor vehicle, in particular for traction applications for electrical machines.
  • a “rotating element” is basically understood to mean any element which rotates about at least one axis.
  • the rotating element can be a shaft, for example a shaft in a drive machine, for example a camshaft or a crankshaft.
  • a shaft for example a shaft in a drive machine, for example a camshaft or a crankshaft.
  • a crankshaft for example, a crankshaft.
  • Angular position of a camshaft or a speed of a camshaft or an angular acceleration of a camshaft or a combination of at least two of these quantities can be determined.
  • Other properties and / or other combinations of properties can also be ascertainable.
  • the sensor system can have the at least one sensor wheel that can be connected to the rotating element.
  • a “transmitter wheel” can basically be understood to mean any component that can be connected to the rotating element and that is set up at
  • the sensor wheel can, for example, be permanently or reversibly connected or connectable to the rotating element or can also be formed in one piece with the rotating element or integrated into the rotating element.
  • the sensor wheel can have a sensor wheel profile.
  • a “transmitter wheel profile” can basically be understood to mean an entirety of profile elements and of intermediate spaces which are arranged between the profile elements.
  • a “profile element” of the sensor wheel can in principle be understood to mean any shape of the contour of the sensor wheel, in particular a bulge,
  • the encoder wheel can be designed to be rotationally symmetrical.
  • the sensor wheel can have an identical number of electrically conductive blades and electrically non-conductive or less conductive blades and / or recesses.
  • the electric Conductive wings can have a first opening angle a and the electrically non-conductive or less conductive wings and / or the recesses can have a second opening angle ⁇ . A sum of the first and the second
  • Opening angle can be a full angle measurement range of the inductive
  • Position sensor correspond.
  • the first and the second opening angle can be identical or different.
  • the encoder wheel can be fastened to the rotating element by means of a screw and / or adhesive connection.
  • the sensor system can comprise a single sensor wheel or a plurality of sensor wheels.
  • the sensor system can comprise two sensor wheels.
  • the at least two encoder wheels can be arranged offset with respect to one another with respect to the axis of rotation, that is, for example, with an axial offset.
  • the at least two sensor wheels can have the same or, in particular, different sensor wheel profiles.
  • the inductive position sensor includes:
  • the coil arrangement which is arranged on the circuit carrier, the coil arrangement comprising at least one excitation coil and at least two receiver coils;
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • a “circuit carrier” can be understood to mean a device on which at least one electrical component can be arranged.
  • the circuit carrier can be designed flexibly.
  • the circuit carrier can comprise a flexible material.
  • the circuit carrier can in particular be selected from the group consisting of: a printed circuit board, in particular a rigid-flex printed circuit board, for example a curved rigid-flex printed circuit board; a rigid circuit board, in particular a rigid circuit board with notches; a circuit board; a circuit board and a printed circuit, in particular a “printed circuit board” (PCB).
  • the circuit carrier can be arranged essentially coaxially to the axis of rotation.
  • the circuit carrier can, for example, be essentially circular or a circle segment of the sensor wheel
  • the term “essentially circular” is basically understood to mean that the component described has a radius of curvature.
  • Radius of curvature can vary within the component by a value from 0% to 80%, preferably from 0% to 50%, more preferably from 0% to 20% and particularly preferably from 0% to 5%.
  • the component can vary by a value from 0% to 80%, preferably from 0% to 50%, more preferably from 0% to 20% and particularly preferably from 0% to 5%.
  • the circuit carrier can also be composed of two or more segments which, for example, can each be flat or curved and which can be connected to one another, for example.
  • the segments as a whole can then also be arranged coaxially to the axis of rotation, even if the individual segments are then arranged tangentially, for example.
  • the circuit carrier can be arranged in a housing, in particular in an injection molded housing.
  • a “coil arrangement” can in principle be understood to mean any device which comprises at least one coil.
  • a “coil” is basically understood to mean any component which has an inductance and is suitable for generating a magnetic field when current flows and / or vice versa.
  • a coil can comprise at least one completely or partially closed conductor loop or turn.
  • an “excitation coil” can in principle be understood as a coil that generates a magnetic flux when an electrical voltage and / or an electrical current is applied. The excitation coil can have at least one excitation turn.
  • a “receiver coil” is basically understood to be a coil that is set up to generate a signal based on an inductive coupling between the excitation coil and the receiver coil, which signal is dependent on the inductive coupling.
  • the coil arrangement can have a receiver coil system.
  • a “receiver coil system” within the scope of the present invention basically any device can be understood, which comprises at least two, preferably at least three, receiver coils.
  • the excitation coil can be essentially circular.
  • the excitation coil and the receiver coils can be configured as described in DE 10 2017 210 655.7, filed on June 23, 2017.
  • the receiver coils can substantially completely revolve around the axis of rotation in a circumferential direction, each receiver coil being formed by a plurality of adjacent partial windings, adjacent ones
  • Partial turns are oriented in opposite directions with respect to the current flow direction.
  • each partial turn with respect to a radial direction which extends outward from the axis of rotation, is formed from sections of at least two arcuate conductor tracks curved to the left and from
  • Circumferential direction is rotated by half of the measuring range with respect to the first point.
  • the further right-curved conductor tracks result from the preceding right-curved conductor track by rotating them
  • a partial turn of a receiver coil can be defined as a part of the receiver coil that is made up of conductor tracks Receiver coil is surrounded, which do not intersect each other.
  • Orientation of a partial turn is determined by a current flow through the receiver coil.
  • Counter-oriented partial windings each have current flows in opposite directions when a current flows through the receiver coil, i.e. with a partial turn with a first orientation, the current runs in the
  • a partial turn can be constructed, for example, like a diamond with curved side surfaces.
  • the four side surfaces of such a diamond can e.g. be formed by two sections of two left-curved conductor tracks and two right-curved conductor tracks.
  • the current direction in at least two sections of the left-curved conductor tracks, which form a partial turn can be opposite to one another.
  • Receiver coil runs. In this way e.g. can also be achieved that the amplitude of the alternating voltage induced in the receiver coil or the measurement signal essentially depends on the angle of rotation as a sine function.
  • the inductive position sensor can comprise a number of n receiver coils, where n is a positive integer.
  • the generated sinusoidal signals of the n receiver coils can be out of phase with one another.
  • adjacent sinusoidal signals have a phase distance of 2tt / (h) and / or 360 ° / (n) for n> 3.
  • adjacent sinusoidal signals from exactly two receiver coils can have a phase separation of 90 °.
  • adjacent sinusoidal signals from exactly three receiver coils can have a phase spacing of 120 °.
  • An “application-specific integrated circuit” (ASIC) can be understood to mean any electronic circuit that is implemented as an integrated circuit.
  • the application-specific integrated circuit arranged on the circuit carrier.
  • the application-specific integrated circuit can be arranged on the circuit carrier and connected to exactly one excitation coil and at least two receiver coils.
  • application-specific integrated circuit is set up to a
  • Providing an excitation signal can be understood to mean that the application-specific integrated circuit is set up to generate the excitation signal and / or that the application-specific integrated circuit is set up to apply the excitation signal to the excitation coil. Under a
  • excitation signal can be understood to mean an electrical signal, in particular at least one alternating voltage and / or at least one alternating current.
  • the excitation signal can be a
  • sinusoidal is understood in principle to mean any shape which has a course of a sine curve.
  • a course of a complete sine curve can be included or only part of a sine curve.
  • essentially sinusoidal is understood in principle to mean any shape which has a course of a sine curve.
  • Embodiments are understood to have a completely sinusoidal course, deviations being conceivable which are not more than 20%, in particular not more than 10% or even not more than 5%, of the absolute value of the sinusoidal shape.
  • a “complete sinus curve” can in particular be understood to mean a course of a sinus curve which comprises at least one period.
  • the sine curve can start at the zero point or any other point on the sine curve.
  • the sinusoidal shape can also be composed, for example, in sections from other functions, so that an approximate sinusoidal shape results overall.
  • the excitation signal can have an amplitude in the range from 0.1 V to 10 V, preferably from 5 V.
  • the excitation signal can have a frequency in the range from 1 MHz to 10 MHz, preferably 3.5 MHz.
  • the application-specific integrated circuit can have at least one
  • the oscillator circuit can drive, for example, an LC oscillator, in which the excitation coil and a capacitor act as frequency-determining elements act.
  • Excitation coil with the excitation signal can produce an alternating electromagnetic field, which couples into the receiver coils and induces, for example, corresponding alternating voltages and / or alternating currents.
  • the inductive position sensor can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil.
  • the excitation coil can be configured to generate an alternating electromagnetic field in response to the application of the excitation signal.
  • the excitation coil and the receiver coils can be coupled such that the alternating electromagnetic field induces an alternating voltage in the receiver coils.
  • the receiver coils can be arranged in such a way that the receiver coils generate rotation angle-dependent signals when the rotating element rotates at a constant angular velocity about the axis of rotation.
  • the application-specific integrated circuit is set up to process signals generated by the receiver coils and to provide them as output signals to the evaluation unit.
  • Processing can basically be understood to mean any operation of signal processing by one
  • the signal processing can be digital and / or analog.
  • the signal processing can preferably be carried out purely analog.
  • Application-specific integrated circuit can in particular be set up to infer an amount and a phase of the coupling by demodulating a signal induced in the receiver coils with a carrier signal, that is to say a signal from the excitation coil, also called a transmitter coil.
  • the amount can in particular vary continuously with the angle of rotation.
  • a phase position can be 0 ° or 180 °, for example.
  • application-specific integrated circuit can have at least one
  • the demodulation can include multiplying by the excitation signal. For example, multiplying the amount by a cosine function can result in a preferably offset-free Sin / Cos system, in particular when using two receiver coils with a 90 ° phase offset in relation to the measuring range.
  • a three-phase sine signal can arise in the measuring range, which can be converted into a Sin / Cos system, for example, by using the Clarke transformation.
  • the arctangent (ArcTan) function the angle of rotation can be deduced.
  • application specific integrated circuit can have at least one
  • the low-pass filter can have a cut-off frequency in the range from 50 kHz to 500 kHz, preferably 100 kHz.
  • the application-specific integrated circuit can first demodulate the signals of the receiver coils and then filter using the low-pass filter.
  • the application-specific integrated circuit can furthermore have at least one amplifier. The amplifier can amplify the filtered signals. The output signals can then be sent to the evaluation unit,
  • An “electronic evaluation unit” can generally be used here
  • Be understood device which is set up to output signals generated by the inductive position sensor, in particular the ASIC
  • the evaluation unit can comprise, for example, at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller.
  • Data processing device can have one or more volatile and / or non-volatile data memories, it being possible for the data processing device to be set up, for example, in terms of programming, in order to control the inductive position sensor.
  • the evaluation unit can further comprise at least one interface, for example an electronic interface and / or a human-machine interface, such as an input / output device such as a display and / or a keyboard.
  • Evaluation unit can for example be constructed centrally or decentrally. Other configurations are also conceivable.
  • the evaluation unit can be set up to generate signals from the
  • the sensor system can, in particular, be set up to move from the Movement and / or change caused by a position of the encoder wheel of the inductive coupling between the excitation coil and the receiver coils to determine an absolute or relative angular position of the rotating element.
  • a “relative angular position” can basically be understood to mean a position with respect to a period defined by the receiver coils.
  • the evaluation circuit can be set up to generate at least one quotient of at least two signals from at least two receiver coils.
  • the Clarke transformation can be used to calculate the angular position F from three signals generated by three receiver coils.
  • Rotation property can be a current angle of rotation between the encoder wheel and the inductive position sensor.
  • the sensor wheel can, for example, be designed to “shade” areas of a receiver coil structure depending on its position. As a result, a coupling between a transmitter coil structure and the receiver coils can be influenced as a function of the angle of rotation.
  • Coupling factor can be, for example, -0.3 to +0.3.
  • a coupling factor can in particular be understood to mean an amplitude ratio between a received signal and a transmitted or excitation signal.
  • the coupling factor can in particular run sinusoidally with the angle of rotation.
  • the coil arrangement can surround the sensor wheel or at least one circle segment of the sensor wheel essentially in the form of a segment of a circle or in a circle.
  • the coil arrangement in particular that on the
  • Circuit carrier arranged coil arrangement in at least one
  • Angular position of the encoder wheel cover at least one profile element and at least one space between two profile elements of the encoder wheel.
  • the sensor system in particular the inductive position sensor, can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the excitation coil and the at least one receiver coil.
  • the sensor system can be set up, which was brought about by a movement and / or a position of the sensor wheel to detect inductive coupling and / or the change in inductive coupling between the excitation coil and the receiver coils caused by a movement and / or a position of the sensor wheel.
  • the evaluation unit can have at least one evaluation circuit.
  • the evaluation unit can have at least one evaluation circuit.
  • Evaluation circuit be set up to evaluate the signals of the position sensor.
  • the evaluation circuit can be, for example, a processor.
  • the evaluation unit can in particular be configured separately from the circuit carrier and can be connectable to the circuit carrier via at least one connection, for example a cable.
  • the output signals can be digitized and
  • the evaluation unit has at least one
  • Subtractor which is set up to subtract at least one offset from the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • the evaluation unit can provide an evaluation path for each output signal of the ASIC and one for each path
  • Operation can be understood in which the offset is subtracted from the output signals.
  • a “subtractor” can be understood to mean an electronic component that sets up at least one subtraction
  • the subtractor can have a circuit, for example an operational amplifier.
  • the operational amplifier can be wired at one input with an output signal and at a second input with an offset signal.
  • the operational amplifier can be set up to form a difference between the two input signals at an output.
  • the subtractor can have a processor, which is set up in terms of programming, the offset from the
  • An “offset” can be understood to mean an offset value and / or an offset signal which characterizes, for example, a systematic error in the evaluation circuit and / or the components used and / or systematic errors in the
  • the offset can, for example, be selected from the group consisting of: one
  • the offset can be identical for each evaluation path, in particular for each receiver coil his.
  • the offset can be different for each evaluation path, for example depending on a receiver coil.
  • the evaluation unit can have at least one memory unit.
  • the offset can be a predetermined or
  • the offset can be determined by a calibration, for example by a one-time calibration after manufacture and / or when the sensor system is started up.
  • the offset can be stored in the storage unit, for example in at least one lookup table.
  • the offset can be programmed into the memory unit.
  • the evaluation unit can be set up to determine the offset by means of at least one observer model, in particular when an electric motor of the motor vehicle is in operation. Under a
  • Observer modeH can be understood to mean a control model that is set up to reconstruct the offset from known input variables and output variables of an observed reference system.
  • the evaluation unit can be set up programmatically to emulate a reference system.
  • the evaluation unit can be set up to compare state variables, such as excitation voltage, signals from the receiver coils, with the reference system and to determine the offset therefrom.
  • the evaluation unit has at least one amplifier, which is set up to normalize the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • An amplifier can be understood to mean an electronic component which is set up to amplify an input signal.
  • the amplifier can be set up to output the signals
  • the ASIC can be connected to the evaluation unit via a cable.
  • the evaluation unit can be designed such that the output signals of the ASIC are first transmitted to the subtractor and then the offset-subtracted output signals to the amplifier.
  • the evaluation unit can be designed such that the output signals of the ASIC are first transmitted to the subtractor and then the offset-subtracted output signals to the amplifier.
  • other orders are also possible.
  • “essentially identical” can in principle be used
  • the evaluation unit has at least one divider, which is set up at least one quotient signal from the output signals of the
  • a divider can be understood to mean an electronic component which is set up for the output signals, in particular the normalized ones
  • a quotient signal can be understood as a result of the division of the output signals.
  • the division can comprise a division of the output signals, in particular the offset-subtracted output signals, and / or a division of multiples of the output signals, in particular the offset-subtracted output signals, and / or a division of linear combinations of the output signals, in particular the offset-subtracted output signals ,
  • the evaluation unit has at least one arc function unit, which is set up to determine the rotational property of the element rotating about the axis of rotation by determining an arc tangent of the
  • An arc function unit can be understood to mean a device, for example an electronic component and / or a processor, which sets up an arc tangent of the
  • one of the receiver coils can generate a signal sin F and the other receiver coil can generate a signal cos F, where F is the angular position.
  • the evaluation unit can have further modules, such as at least one filter, which is set up to filter the output signals of the application-specific integrated circuit.
  • the inductive position sensor can have at least one contact element.
  • the inductive position sensor, especially the ASIC, can be used with the
  • Evaluation unit can be connected by means of the contact element.
  • Contact element can be selected from the group consisting of: at least one hole for ram contacts, at least one soldered plug, at least one contact pad.
  • the inductive position sensor can be a packaging have, in particular around the inductive position sensor with a
  • the packaging can be at least one
  • the inductive position sensor can be fastened to a further device by means of the connecting element. This can be done by one or more of the methods direct injection molding,
  • the packaging can completely or partially surround all components of the inductive position sensor. It can preferably have bores or recesses through which the inductive position sensor can be fastened with a screw connection, for example to a B-bearing plate of the further device. Alternatively or additionally, the inductive position sensor can also be attached with clips, an adhesive connection or other methods, for example on the B-end shield.
  • a method for determining at least one rotational property of an element rotating about at least one rotational axis comprises the use of at least one sensor system according to the invention.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given.
  • the method can, in addition to the above
  • Process steps also include further process steps.
  • Rotation property by means of an evaluation unit of the sensor system at least one offset being subtracted from the signals of the receiver coils, the signals being normalized, at least one quotient signal being determined from the signals, the rotation property of the element rotating about the axis of rotation being determined by determining an arctangent of the quotient signal is determined.
  • the method is carried out using a sensor system according to the present invention, that is to say according to one of the abovementioned
  • a computer program which, when running on a computer or computer network, executes the method according to the invention in one of its configurations.
  • a computer program with program code means is proposed in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network.
  • the program code means can be stored on a computer-readable data carrier.
  • a data carrier is proposed within the scope of the present invention, on which a data structure is stored, which after loading into a main memory and / or main memory of a computer or
  • a computer program product is understood to mean the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or a computer-readable data carrier, and can in particular be distributed over a data transmission network.
  • Computer network includes executable instructions for performing a method according to one of the described embodiments.
  • the proposed device and the proposed method have numerous advantages over known devices and methods.
  • the devices according to the invention allow an increase in functional safety by relocating the
  • the proposed devices and methods can be used for any inductive position sensors based on coupled coils.
  • the measuring principle does not require an expensive magnet. A smaller installation space in contrast to known sensors is possible. The measuring principle is practically not due to a high carrier frequency
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • Figure 3 shows an embodiment of a transmitter wheel
  • FIG. 4 shows an ASIC structure according to the invention
  • Figure 5 waveforms of the sensor system according to the invention.
  • Figure 6 shows an embodiment of an evaluation unit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor system 110 for determining at least one rotational property by at least one
  • Rotation axis 112 of rotating element 114 is shown.
  • the sensor system 110 can in particular be set up for use in the motor vehicle.
  • the sensor system 110 can detect at least one
  • Rotational property of a camshaft can be set up.
  • the sensor system 110 can be configured to detect an angular position of the camshaft.
  • the rotating element 114 can be a shaft, for example.
  • the shaft can carry a permanent magnet 116.
  • a cylindrical shape around this permanent magnet 116 can be
  • Stator coil package 118 may be arranged.
  • An output can be arranged in the negative z direction and is not shown further.
  • a B bearing 120 can be arranged, which receives the axis 114.
  • the sensor system 110 has at least one inductive position sensor 124.
  • the B bearing 120 can be connected to a B bearing plate 122 which holds the inductive position sensor 124.
  • the sensor system 110 can have the at least one sensor wheel 126 that can be connected to the rotating element 114.
  • the encoder wheel 126 which is connected to the shaft and rotates with it, can be arranged between the B bearing 120 and the inductive position sensor 124.
  • the sensor system has at least one evaluation unit 130.
  • the inductive position sensor 124 can be connected to the evaluation unit 130 via a cable 128.
  • Evaluation unit 130 can supply the inductive voltage
  • the evaluation unit 130 can be provided position sensor 124.
  • the evaluation unit 130 can be provided position sensor 124.
  • the sensor system 110 can further comprise one or more additional elements, for example one or more further functional elements not shown in the figures, such as electrodes, electrode leads and contacts, several layers, heating elements or other elements.
  • the inductive position sensor comprises at least one circuit carrier 132.
  • the circuit carrier 132 can, for example, have a printed circuit board which revolves around the rotating element 114 in a substantially circular manner and preferably covers an angular range of 360 °.
  • the inductive position sensor comprises at least one coil arrangement 134, not shown here, which is arranged on the circuit carrier 132.
  • the coil arrangement 134 comprises at least one excitation coil 136 and at least two receiver coils 138, see for example FIG. 4.
  • the inductive position sensor comprises at least one application-specific integrated circuit (ASIC) 140, which is set up to provide an excitation signal for the excitation coil 136.
  • the application-specific integrated circuit 140 is set up to process signals generated by the receiver coils 138 and to provide them as output signals, for example the evaluation unit 130.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Position sensor 124 has at least one contact element 142 to which the cable 128 can be attached.
  • the contact element 142 can be a hole for ram contacts, a soldered plug or pads, with which the cable 128 can be connected to the circuit carrier 132 by a soldering process.
  • the inductive position sensor 124 can have a packaging 144.
  • the packaging 144 can allow the inductive position sensor 124 to be provided with chip protection and to ensure a sufficiently high mechanical strength.
  • the packaging 144 may be one or more of the
  • the packaging 144 can completely or partially surround all components of the inductive position sensor 124.
  • the packaging 144 can have at least one connecting element 146, preferably bores and / or recesses, through which the inductive position sensor 124, for example with a screw connection 148 on the B- Bearing plate 122 can be attached.
  • the inductive position sensor 124 can also be attached to the B-bearing plate 122 with clips, an adhesive connection or other methods.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an encoder wheel 126 according to the invention is shown in FIG.
  • the encoder wheel 126 can be configured to be rotationally symmetrical.
  • the encoder wheel 126 can have an identical number of electrically conductive blades 150 with a first opening angle ⁇ and electrically non or less conductive blades and / or recesses 152 with a second opening angle ⁇ .
  • a sum of the first and second opening angles can correspond to a full angle measuring range d of the inductive position sensor 124.
  • the first and the second opening angle can be identical or different in size.
  • the encoder wheel 126 can be fastened to the rotating element 114 via a screw and / or adhesive connection and / or with a longitudinal pressing process.
  • FIG. 4 shows a construction of an ASIC 140 according to the invention.
  • the ASIC 140 can be connected exactly to an excitation coil 136 and at least two receiver coils 138.
  • a block 154 can be used to generate a substantially sinusoidal excitation signal 156
  • block 154 can be an oscillator circuit that drives an LC oscillator in which excitation coil 136 and at least one capacitor (not shown) act as frequency-determining elements.
  • the amplitude of the excitation signal 156 can be in the range from 0.1 V and 10 V, preferably 5 V, at frequencies in the range from 1 MHz and 10 MHz, preferably 3.5 MHz.
  • the application-specific integrated circuit 140 can have at least one demodulation device 160, which is set up to demodulate the signals 158, 162 of the receiver coils 138, in particular synchronously. Demodulation may include multiplying by excitation signal 156.
  • the application-specific integrated circuit 140 can have at least one low-pass filter 164.
  • the low-pass filter 164 can have a cut-off frequency in the range from 50 kHz to 500 kHz, preferably 100 kHz.
  • the application-specific integrated circuit 140 can first demodulate the signals 158, 162 of the receiver coils 138 and then filter using the low pass 164.
  • the application-specific integrated circuit 140 may further have at least one amplifier 166.
  • the amplifier 166 can amplify the filtered signals. After the optional amplification in the amplifiers 166, the output signals 168, 170 can be transmitted directly to the evaluation unit 130 via the cable 128.
  • Exemplary signal profiles as a function of the angle of rotation for a continuous rotary movement are shown in FIG. 5.
  • a demodulated sinusoidal signal 170 and a demodulated cosine-shaped signal 168 result as a function of the angle of rotation.
  • the output signals can be digitized and further processed in the evaluation unit 130.
  • the evaluation unit 130 has at least one subtractor 172, which is set up to subtract at least one offset 174 from the output signals 168, 170 of the application-specific integrated circuit 140.
  • the evaluation unit can provide an evaluation path for each output signal of the ASIC and have a subtractor 172 for each path.
  • Subtractor 172 can be one
  • Operational amplifiers can be wired with an output signal at one input and with an offset signal at a second input.
  • Operational amplifiers can be set up to form a difference between the two input signals at an output.
  • the subtractor 172 can have a processor which is set up in terms of programming to subtract the offset 174 from the output signals.
  • the offset 174 can, for example, be selected from the group consisting of: a voltage value; an offset voltage; a voltage signal.
  • the offset can be identical for each evaluation path, in particular for each receiver coil.
  • the offset 174 can be different for each evaluation path, for example a first offset 176 and a second offset 178.
  • the evaluation unit 130 can have at least one memory unit 180. Offset 174 may be a predetermined or predetermined offset.
  • the offset 174 can be determined by a calibration, for example by a one-off calibration after manufacture and / or when the sensor system 110 is started up.
  • the offset 174 can be stored in the memory unit 180, for example in at least one lookup table.
  • the offset 174 can be programmed into the memory unit 180.
  • the evaluation unit 130 can be set up to determine the offset 174 by means of at least one observer model, in particular when an electric motor of the motor vehicle is in operation.
  • the evaluation unit 130 can be set up in terms of program technology
  • the evaluation unit 130 can be set up to compare state variables, such as excitation signal 156, signals 158, 162 of the receiver coils 138, with the reference system and to determine the offset 174 therefrom.
  • the evaluation unit 130 has at least one amplifier 182, which is set up to normalize the output signals 168, 170.
  • the amplifier 182 can be configured to output signals 168, 170 of the
  • the ASIC 140 can be connected to the evaluation unit 130 via the cable 128.
  • the evaluation unit 130 can be configured such that the output signals 168, 170 of the ASIC 140 are first transmitted to the subtractor and then the offset-subtracted output signals 184, 186 to the amplifier 182.
  • other orders are also possible.
  • the evaluation unit 130 has at least one divider 188, which is set up to determine at least one quotient signal from the output signals 168, 170 of the application-specific integrated circuit 140.
  • the division can be a division of the output signals and / or a division of multiples of the output signals 168, 170, in particular the offset-subtracted output signals 184, 186, and / or a division of linear combinations of the Output signals 168, 170, in particular the offset subtracted
  • Output signals 184, 186 include.
  • the evaluation unit 130 has at least one arc function unit 190, which is set up to control the rotational property of the axis of rotation
  • the evaluation unit 130 can have further modules, such as at least one filter, which is set up to filter the output signals 158, 162 of the application-specific integrated circuit 140.

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Abstract

Es wird Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) weist mindestens einen induktiven Positionssensor (124) und mindestens eine Auswerteeinheit (130) auf. Der induktiven Positionssensor (124) umfasst: - mindestens einen Schaltungsträger (132); - mindestens eine Spulenanordnung (134), welche auf dem Schaltungsträger (132) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (134) mindestens eine Erregerspule (136) und mindestens zwei Empfängerspulen (138) umfasst; - mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (140), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal (156) für die Erregerspule (136) bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen (138) erzeugte Signale (158, 162) zu verarbeiten und als Ausgangssignale (168, 170) an die Auswerteeinheit (130) bereitzustellen. Die Auswerteeinheit (130) weist mindestens einen Subtrahierer (172) auf, welcher eingerichtet ist, um mindestens einen Offset (174) von den Ausgangsignalen der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu subtrahieren. Die Auswerteeinheit (130) weist mindestens einen Verstärker (182) auf, welcher eingerichtet ist die Ausgangsignale (168, 170) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu normalisieren. Die Auswerteeinheit (130) weist mindestens einen Dividierer (188) auf, welcher eingerichtet ist mindestens ein Quotientensignal aus den Ausgangsignalen (168, 170) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu bestimmen. Die Auswerteeinheit (130) weist mindestens eine Arkusfunktionseinheit (190) auf, welche eingerichtet ist, um die Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) durch Bestimmen eines Arkustangens des Quotientensignals zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines rotierenden Elements
Stand der Technik
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.
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.
Um diese Größen zu ermitteln ist es bekannt sogenannte 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 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. Ein Resolver ist eine rein passive
Komponente und sämtliche Signalverarbeitung kann im Steuergerät, bzw. der Leistungselektronik, realisiert werden, so dass höchste Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß ISO 26262 erfüllt werden können. 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. Neben
elektromagnetischen Resolvern sind auch optische Resolver bekannt, beispielsweise aus DE 10 2013 203 937. Optische Resolver bedingen jedoch neben hohen Kosten eine Prinzip-bedingte Querempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung und sind demzufolge nicht in jedem Umfeld einsetzbar.
Weiter bekannt, beispielsweise aus DE 10 2014 220 458 Al, sind induktive Absolutwinkelsensoren auf Basis von verteilten Planarspulen, deren Induktivität sich in Folge eines elektrisch leitfähigen Targets auf Grund des
Wirbelstromeffektes verringert. DE 10 2014 220 458 Al beschreibt ein rotierendes Bauteil, welches mit einem scheibenförmigen Target gekoppelt ist, welches mindestens eine Metallfläche aufweist und in Verbindung mit einer Spulenanordnung, welche mindestens eine flächige Detektionsspule aufweist, eine Information zur Ermittlung des aktuellen Drehwinkels des rotierenden Bauteil erzeugt. Häufig werden die Spulen dazu in einem Schwingkreis verschaltet, dessen Resonanzfrequenz sich drehwinkelabhängig verändert. Derartige Sensoren können jedoch eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber mechanischen Einbautoleranzen, vor allem bei einer Verkippung des Targets, sowie ein mögliches Locking der Frequenzen auf Störungen von außen, ein sogenanntes Injection Locking, aufweisen, da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen MHz gearbeitet wird.
Weiter bekannt, beispielsweise aus EP 0 909 955 Bl, sind induktive
Absolutwinkelsensoren auf Basis gekoppelter Spulen. Diese bestehen aus mindestens zwei auf einer Leiterplatte integrierten Empfangsspulen sowie einer umlaufenden Erregerspule. Die Erregerspule kann mit einem
Wechselspannungssignal mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz beaufschlagt werden und erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in den Empfangsspulen Spannungen induziert. Durch Überstreichen mit einer elektrisch leitfähigen Targetstruktur kann die Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden. Die in EP 0 909 955 Bl beschriebene Ausführungsform kann jedoch eine komplexe schleifenförmige Targetstruktur aufweisen, welche hohe Fertigungskosten verursacht. Weiterhin können die Unterbrechungen oder Aussparungen im Target vor allem bei hohen Drehzahlen zu einer unerwünschten
Geräuschentwicklung führen. Die Auswertung erfolgt in der EP 0 909 955 Bl mit mindestens einer anwendungsspezifische integrierten Schaltung (ASIC). Dies kann jedoch aus Gründen der funktionalen Sicherheit problematisch sein, da nur eingeschränkt Diagnosen auf Rohsignalebene bzw. entlang der
Signalverarbeitungskette durchgeführt werden können.
Weiter sind, beispielsweise aus der EP 0 056 303 A2, magnetfeldbasierte Drehwinkelsensoren zur Rotorlagedetektion bekannt. Dazu wird ein Magnet an einem Rotor angebracht, welcher sich gegenüber einem ortsfest angenommenen Magnetfeldsensor dreht. Beispielsweise kann der Magnet diametral magnetisiert sein, also der Magnet kann zwei entgegengesetzt magnetisierte Bereiche aufweisen, welche jeweils gleich groß sind, beispielsweise jeweils 180° und symmetrisch bezüglich einer Drehachse angeordnet sind. Die Messung des Magnetfeldvektors erlaubt einen Rückschluss auf den Drehwinkel. Bekannte Ausführungsformen zur Detektion des Magnetfeldvektors basieren
beispielsweise auf Hallelementen, wie in der EP 0 056 303 A2 beschrieben, sowie anderen Prinzipien wie Riesenmagnetowiderstand (GMR), magnetischer Tunnelwiderstand (TMR) oder anisotroper magnetoresistiver Effekt (AMR).
Absolut messende Magnetfeldsensoren reagieren jedoch auch auf externe Magnetfelder, welche beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln herrühren. Dies ist zum Beispiel bei elektrischen Maschinen für Traktionsanwendungen der Fall, wo Fremdfelder durch den sich drehenden Rotor der häufig eingesetzten permanent erregten Synchronmaschine sowie durch die entsprechenden Zuleitungen der Statorspulen auftreten. Die Winkelfehler können von der Stärke des Fremdfeldes und von der Winkelstellung des Sensors abhängen. Methoden, um Fremdfelder zu unterdrücken umfassen differenzielle Messungen mit mehr als einem Magnetfeldsensor und Nutzung eines mehrpoligen magnetischen Targets. Die Winkelgenauigkeit des Sensors kann sich dadurch entsprechend reduzieren. Weiterhin können derartige
Verfahren nur bei geringen bzw. gradientenfreien Störfeldern wirksam sein.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. 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“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung umfassend mindestens zwei Komponenten verstanden. Das Sensorsystem umfasst mindestens einen induktiven Positionssensor und mindestens eine Auswerteeinheit. Unter einem induktiven Positionssensor zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensor verstanden, welcher 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. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer„Rotationseigenschaff 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 des Sensorsystems, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder
Rotorpositionssensor sein. Unter einem„induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der 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. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. 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.
Das Sensorsystem kann das mindestens eine 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 Elements 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.
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 Flügeln und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel ß aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten
Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven
Positionssensor 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.
Das Sensorsystem kann ein einzelnes Geberrad oder auch eine Vielzahl Geberräder umfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem zwei Geberräder umfassen. Insbesondere können die mindestens zwei Geberräder bezüglich der Rotationsachse zueinander versetzt angeordnet sein, also beispielsweise mit einem axialen Versatz. Die mindestens zwei Geberräder können gleiche oder insbesondere auch unterschiedliche Geberradprofile aufweisen.
Der induktive Positionssensor umfasst:
- mindestens einen Schaltungsträger;
- mindestens eine Spulenanordnung, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfasst;
- mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale an die Auswerteeinheit bereitzustellen.
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). Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise das Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads 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.
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.
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 linksgekrümmten 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.
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 2tt/(2h) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können
beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2tt/(h) 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. Unter einer„anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Insbesondere ist die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung auf dem Schaltungsträger angeordnet. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eingerichtet, um ein
Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. 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 em 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.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung ist eingerichtet, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, an die Auswerteeinheit, bereitzustellen. 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. 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 (ArcTan)- 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. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann die gefilterten Signale verstärken. Anschließend können die Ausgangssignale an die Auswerteeinheit,
insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete
Auswerteeinheit, übertragen werden.
Unter„einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische
Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor, insbesondere dem ASIC erzeugte Ausgangssignale
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 weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittsteile wie beispielsweise eine Eingabe- /Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die
Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus Signalen der
Empfängerspulen auf eine Winkelposition F des Geberrads zu schließen. 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 die Auswerteschaltung derart eingerichtet sein, um mindestens einen Quotienten mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition F aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tan<£ = sincp / cos<£ verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition F aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke-Transformation verwendet werden. Die
Rotationseingenschaft kann ein aktueller Drehwinkel zwischen dem Geberrad und dem induktiven Positionssensor sein.
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 dreh winkelabhängig 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.
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.
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. Hierfür weist das
Sensorsystem die Auswerteeinheit auf. 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.
In der Auswerteeinheit können die Ausgangssignale digitalisiert und
weiterverarbeitet werden. Die Auswerteeinheit weist mindestens einen
Subtrahierer auf, welcher eingerichtet ist, um mindestens einen Offset von den Ausgangsignalen der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu subtrahieren. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit für jedes Ausgangssignal des ASICs einen Auswertepfad bereitstellen und für jeden Pfad einen
Subtrahierer aufweisen. Unter„subtrahieren“ kann eine mathematische
Operation verstanden werden, bei welcher der Offset von den Ausgangssignalen abgezogen wird. Unter einem„Subtrahierer“ kann ein elektronisches Bauteil verstanden werden, welche eingerichtet mindestens eine Subtraktion
durchzuführen. Der Subtrahierer kann eine Schaltung aufweisen, beispielsweise einen Operationsverstärker. Der Operationsverstärker kann an einem Eingang mit einem Ausgangssignal und an einem zweiten Eingang mit einem Offsetsignal beschältet werden. Der Operationsverstärker kann eingerichtet sein an einem Ausgang eine Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen zu bilden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Subtrahierer einen Prozessor aufweisen, welcher programmtechnisch eingerichtet ist den Offset von den
Ausgangssignalen zu subtrahieren. Unter einem„Offset“ kann ein Offsetwert und/oder ein Offsetsignal verstanden werden, welcher beispielsweise einen systematischen Fehler der Auswerteschaltung und/oder der eingesetzten Bauteile charakterisiert und/oder von systematischen Fehlern der
Auswerteschaltung und/oder der eingesetzten Bauteile abhängt. Der Offset kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem
Spannungswert; einer Offset-Spannung; einem Spannungssignal. Der Offset kann für jeden Auswertepfad, insbesondere für jede Empfängerspule, identisch sein. Der Offset kann für jeden Auswertepfad verschieden sein, beispielsweise abhängig von einer Empfängerspule. Die Auswerteeinheit kann mindestens eine Speichereinheit aufweisen. Der Offset kann ein vorbestimmter oder
vorgegebener Offset sein. Beispielsweise kann der Offset durch eine Kalibrierung bestimmt werden, beispielsweise durch eine einmalige Kalibrierung nach einer Herstellung und/oder bei einer Inbetriebnahme des Sensorsystems. Der Offset kann in der Speichereinheit abgespeichert sein, beispielsweise in mindestens einem Lookup-Table. Insbesondere kann der Offset in der Speichereinheit einprogrammiert sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein den Offset mittels mindestens eines Beobachtermodells zu bestimmen, insbesondere bei einem Betrieb eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs. Unter einem
„BeobachtermodeH“ kann ein Regelungsmodell verstanden werden, welches eingerichtet ist, um aus bekannten Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen eines beobachteten Referenzsystems den Offset zu rekonstruieren. Die
Auswerteeinheit kann programmtechnisch eingerichtet sein ein Referenzsystem nachzubilden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein Zustandsgrößen, wie Erregerspannung, Signale der Empfängerspulen, mit dem Referenzsystem zu vergleichen und daraus den Offset zu bestimmen.
Die Auswerteeinheit weist mindestens einen Verstärker auf, welcher eingerichtet ist die Ausgangsignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu normalisieren. Unter einem Verstärker kann ein elektronisches Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist ein Eingangssignal zu verstärken. Der Verstärker kann eingerichtet ist, um die Ausgangsignale der
anwendungsspezifischen integrierten Schaltung derart zu normalisieren, dass Amplituden der Ausgangssignale im Wesentlichen identisch sind. Beispielsweise über ein Kabel kann das ASIC mit der Auswerteeinheit verbunden sein.
Beispielsweise kann die Auswerteeinheit derart ausgestaltet sein, dass die Ausgangssignale des ASICs zunächst zu dem Subtrahierer und anschließend die Offset-subtrahierten Ausgangssignale zu dem Verstärker übermittelt werden. Auch andere Reihenfolgen sind jedoch denkbar. Unter„im Wesentlichen identisch“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich
verstanden, dass die Amplituden identisch sind, wobei die Amplituden um einen Wert von 20 %, bevorzugt von 10 %, besonders bevorzugt von 5 % voneinander abweichen können. Unter„normalisieren“ kann insbesondere ein Anpassen der Amplituden der Ausgangssignale verstanden werden. Die Auswerteeinheit weist mindestens einen Dividierer auf, welcher eingerichtet ist mindestens ein Quotientensignal aus den Ausgangsignalen der
anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu bestimmen. Unter einem Dividierer kann ein elektronisches Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist die Ausgangssignale, insbesondere die normalisierten
Aussgangssignale, zu dividieren. Unter einem Quotientensignal kann hierbei ein Ergebnis der Division der Ausgangssignale verstanden werden. Die Division kann eine Division der Ausgangssignale, insbesondere der Offset-subtrahierten Ausgangssignale, und/oder eine Division von Vielfachen der Ausgangssignale, insbesondere der Offset-subtrahierten Ausgangssignale, und/oder eine Division von Linearkombinationen der Ausgangssignale, insbesondere der Offset- subtrahierten Ausgangssignale, umfassen.
Die Auswerteeinheit weist mindestens eine Arkusfunktionseinheit auf, welche eingerichtet ist, um die Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse rotierenden Elements durch Bestimmen eines Arkustangens des
Quotientensignals zu bestimmen. Unter einer Arkusfunktionseinheit kann eine Vorrichtung verstanden werden, beispielsweise ein elektronisches Bauteil und/oder ein Prozessor, welches eingerichtet einen Arkustangens des
Quotientensignals zu bestimmen. Beispielsweise kann bei einer Verwendung von zwei Empfängerspulen eine der Empfängerspulen ein Signal sin F und die andere Empfängerspule ein Signal cos F generieren, wobei F die Winkelposition ist. Wie oben ausgeführt kann die Berechnung von F durch bestimmen von ί3hF = eΐhF/ooeF und Bestimmen des Arkustangens erfolgen.
Die Auswerteeinheit kann weitere Module aufweisen, wie beispielsweise mindestens einen Filter, welcher eingerichtet ist die Ausgangssignale der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zu filtern.
Der induktive Positionssensor kann mindestens ein Kontaktelement aufweisen. Der induktive Positionssensor, insbesondere das ASIC, kann mit der
Auswerteeinheit mittels des Kontaktelements verbindbar sein. Das
Kontaktelement kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehen aus: mindestens einer Bohrung für Rammkontakte, mindestens ein aufgelöteter Stecker, mindestens ein Kontaktpad. Der induktive Positionssensor kann eine Verpackung aufweisen, insbesondere um den induktiven Positionssensor mit einem
Spanschutz zu versehen. Die Verpackung kann mindestens ein
Verbindungselement aufweisen. Der induktive Positionssensor kann mittels des Verbindungselements an einer weiteren Vorrichtung befestigbar sein. Diese kann durch eines oder mehrere der Verfahren Direct-injection-molding,
Transfermolden mit Duroplast, Thermo-plastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors ganz oder teilweise umgeben. Sie kann bevorzugt Bohrungen bzw. Aussparungen aufweisen, durch welche der induktive Positionssensor mit einer Schraubverbindung beispielsweise an einem B-Lagerschild der weiteren Vorrichtung befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor auch mit Clips, einer Klebverbindung oder weiteren Verfahren, beispielsweise am B-Lagerschild, angebracht werden.
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 erfindungsgemäßen 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:
- eine Aufnahme mindestens zweier Signale mittels mindestens zweier
Empfängerspulen; und
- eine Auswertung der induktiven Signale und Ermittlung der
Rotationseigenschaft mittels einer Auswerteeinheit des Sensorsystems, wobei mindestens ein Offset von den Signalen der Empfängerspulen subtrahiert wird, wobei die Signale normalisiert werden, wobei mindestens ein Quotientensignal aus den Signalen bestimmt wird, wobei die Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse rotierenden Elements durch Bestimmen eines Arkustangens des Quotientensignals bestimmt wird.
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.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Com puter- 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.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere ist es möglich, einen funktional sicheren, insbesondere unter dem Gesichtspunkt von„Automotive safety integrity Level“, induktiven Positionssensor, welcher zur Regelung einer elektrischen Maschine verwendet werden kann, bereitzustellen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen erlauben eine Erhöhung der funktionalen Sicherheit durch Verlagerung der
Winkelberechnung in eine externe Auswerteeinheit, welche z.B. bereits diversitäre Konzepte zur Digitalisierung des Signals und umfassende
Diagnosefunktionen aufweisen kann. Weiter basieren die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren auf hinsichtlich Elektromagnetischer Verträglichkeit robusten Sensorkonzepten. Weiter kann ein einfaches und kostengünstiges Geberrad verwendet werden.
Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren können für jegliche induktive Positionssensoren auf Basis gekoppelter Spulen eingesetzt werden. Das
Messprinzip zeigt weiter keinen Einfluss von Fremdmagnetfeldern,
beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, die in
Sensornähe angeordnet sind. Das Messprinzip benötigt keinen teuren Magneten. Ein geringerer Bauraum im Gegensatz zu bekannten Sensoren ist möglich. Das Messprinzip ist aufgrund einer hohen Trägerfrequenz praktisch nicht
drehzahlbegrenzt. Keine teuren Magnete sind erforderlich und im Vergleich zum Stand der Technik kann nur ein geringerer Bauraum notwendig sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Sensorsystems;
Figur 2 eine schematische Darstellungen eines
Ausführungsbeispiels eines induktiven Positionssensors;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASICs; Figur 5 Signalformen des erfindungsgemäßen Sensorsystems; und
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinheit.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 110 zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine
Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114 gezeigt. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz im Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer
Rotationseigenschaft einer Nockenwelle eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition der Nockenwelle zu erfassen. Dementsprechend kann es sich bei dem rotierenden Element 114 beispielsweise um einen Welle handeln. Im dargestellten Fall einer permanent erregten Synchronmaschine kann die Welle einen Permanentmagneten 116 tragen. Zylinderförmig um diesen Permanentmagneten 116 kann ein
Statorspulenpaket 118 angeordnet sein. Ein Abtrieb kann in negativer z-Richtung angeordnet sein und ist nicht weiter dargestellt. Auf der dem Abtrieb
entgegengesetzten Seite kann ein B- Lager 120 angeordnet sein, welches die Achse 114 aufnimmt. Das Sensorsystem 110 weist mindestens einen induktiven Positionssensor auf 124. Das B-Lager 120 kann mit einem B-Lagerschild 122 verbunden, welches den induktiven Positionssensor 124 hält. Das Sensorsystem 110 kann das mindestens eine mit dem rotierenden Element 114 verbindbare Geberrad 126 aufweisen. Zwischen B-Lager 120 und induktiven Positionssensor 124 kann das Geberrad 126 angeordnet sein, welches mit der Welle verbunden ist und sich mit dieser mit dreht. Das Sensorsystem weist mindestens eine Auswerteeinheit 130 auf. Beispielsweise über ein Kabel 128 kann der induktive Positionssensor 124 mit der Auswerteeinheit 130 verbunden sein. Die
Auswerteeinheit 130 kann eine Spannungsversorgung des induktiven
Positionssensors 124 bereitstellen. Die Auswerteeinheit 130 kann
Ausgangssignale des induktiven Positionssensors 124 empfangen und aus diesen eine Rotorposition berechnen. Das Sensorsystem 110 kann, neben den in Figur 1 dargestellten Elementen, weiterhin ein oder mehrere zusätzliche Elemente umfassen, beispielsweise ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte weitere Funktionselemente, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen und Kontakte, mehrere Schichten, Heizelemente oder andere Elemente.
Eine Detailansicht des induktiven Positionssensors 124 zeigt Figur 2. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens einen Schaltungsträger 132. Der Schaltungsträger 132 kann beispielsweise eine Leiterplatte aufweisen, welche im Wesentlichen kreisringförmig das rotierende Element 114 umläuft und dabei bevorzugt einen Winkelbereich von 360° abdeckt. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens eine, hier nicht dargestellte, Spulenanordnung 134, welche auf dem Schaltungsträger 132 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 134 umfasst mindestens eine Erregerspule 136 und mindestens zwei Empfängerspulen 138, siehe beispielsweise Figur 4. Der induktive Positionssensor umfasst mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 140, welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal für die Erregerspule 136 bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 ist eingerichtet, um von den Empfängerspulen 138 erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise der Auswerteeinheit 130, bereitzustellen. Der induktive
Positionssensor 124 weist mindestens ein Kontaktelement 142 auf, an welchem das Kabel 128 befestigt werden kann. Das Kontaktelement 142 kann eine Bohrung für Rammkontakte, ein aufgelöteter Stecker oder Pads sein, mit denen das Kabel 128 mit dem Schaltungsträger 132 durch einen Lötprozess verbunden werden kann.
Der induktive Positionssensor 124 kann eine Verpackung 144 aufweisen. Die Verpackung 144 kann erlauben den induktiven Positionssensor 124 mit einem Spanschutz zu versehen und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Verpackung 144 kann durch eines oder mehrere der
Verfahren Direct-injection-molding, Transfermolden mit Duroplast, Thermo plastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung 144 kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors 124 ganz oder teilweise umgeben. Die Verpackung 144 kann mindestens ein Verbindungselement 146, bevorzugt Bohrungen und/oder Aussparungen, aufweisen durch die der induktive Positionssensor 124, beispielsweise mit einer Schraubverbindung 148 am B- Lagerschild 122 befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor 124 auch mit Clips, einer Kleb-verbindung oder weiteren Verfahren am B-Lagerschild 122 angebracht werden.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Geberrads 126 ist in Figur 3 dargestellt. Das Geberrad 126 kann rotations-symmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad 126 kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln 150 mit einem ersten Öffnungswinkel a und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen 152 mit einem zweiten Öffnungswinkel ß aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich d des induktiven Positionssensors 124 entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden groß sein. Bevorzugt kann eine Ausgestaltung mit a = ß sein, wobei a dem halben Winkelmessbereich d entspricht. In einer weiteren Ausführungsform kann a auch kleiner sein, so lange die Bedingung a + ß = d erfüllt ist. Der
Winkelmessbereich kann mit einer Polpaarzahl der Synchronmaschine p gemäß ö=360°/p korrelieren und für die Anzahl n der elektrisch leitfähigen Flügel 150 kann gelten: n = p = 360°/d. Die Befestigung des Geberrads 126 an dem rotierenden Element 114 kann über eine Schraub- und/oder Klebverbindung und/oder mit einem Längspressverfahren erfolgen.
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASIC 140. Beispielsweise kann das ASIC 140 genau an eine Erregerspule 136 und mindestens zwei Empfängerspulen 138 angeschlossen sein. Mit einem nicht näher dargestellten Block 154 kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal 156
bereitgestellt werden, welches die Erregerspule 136 speist. Beispielsweise kann es sich bei dem Block 154 um eine Oszillatorschaltung handeln, welche einen LC Oszillator treibt, bei welchen die Erregerspule 136 sowie mindestens ein nicht dargestellter Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Die Amplitude des Erregersignals 156 kann im Bereich von 0,1 V und 10 V, bevorzugt 5 V betragen, bei Frequenzen im Bereich von 1 MHz und 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung 160 aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale 158, 162 der Empfängerspulen 138 zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal 156 umfassen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann mindestens einen Tiefpassfilter 164 aufweisen. Der Tiefpassfilter 164 kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen.
Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 zunächst die Signale 158, 162 der Empfängerspulen 138 demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses 164 filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 140 kann weiter mindestens einen Verstärker 166 aufweisen. Der Verstärker 166 kann die gefilterten Signale verstärken. Nach der optionalen Verstärkung in den Verstärkern 166 können die Ausgangssignale 168, 170 direkt über das Kabel 128 zu der Auswerteeinheit 130 übertragen werden.
Beispielhafte Signalverläufe als Funktion des Drehwinkels für eine kontinuierliche Drehbewegung sind in Figur 5 dargestellt. Bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Empfängerspulen 138 sowie des Geberrads 126 ergeben sich als Funktion des Drehwinkels ein demoduliertes sinusförmiges Signal 170 sowie ein demoduliertes cosinusförmiges Signal 168.
In der Auswerteeinheit 130 können die Ausgangssignale digitalisiert und weiterverarbeitet werden. Die Auswerteeinheit 130 weist mindestens einen Subtrahierer 172 auf, welcher eingerichtet ist, um mindestens einen Offset 174 von den Ausgangsignalen 168, 170 der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 140 zu subtrahieren. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit für jedes Ausgangssignal des ASICs einen Auswertepfad bereitstellen und für jeden Pfad einen Subtrahierer 172 aufweisen. Der Subtrahierer 172 kann eine
Schaltung aufweisen, beispielsweise einen Operationsverstärker. Der
Operationsverstärker kann an einem Eingang mit einem Ausgangssignal und an einem zweiten Eingang mit einem Offsetsignal beschältet werden. Der
Operationsverstärker kann eingerichtet sein an einem Ausgang eine Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen zu bilden. Alternativ oder zusätzlich kann der Subtrahierer 172 einen Prozessor aufweisen, welcher programmtechnisch eingerichtet ist den Offset 174 von den Ausgangssignalen zu subtrahieren. Der Offset 174 kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Spannungswert; einer Offset-Spannung; einem Spannungssignal. Der Offset kann für jeden Auswertepfad, insbesondere für jede Empfängerspule, identisch sein. Der Offset 174 kann für jeden Auswertepfad verschieden sein, beispielsweise einen ersten Offset 176 und einen zweiten Offset 178. Die Auswerteeinheit 130 kann mindestens eine Speichereinheit 180 aufweisen. Der Offset 174 kann ein vorbestimmter oder vorgegebener Offset sein.
Beispielsweise kann der Offset 174 durch eine Kalibrierung bestimmt werden, beispielsweise durch eine einmalige Kalibrierung nach einer Herstellung und/oder bei einer Inbetriebnahme des Sensorsystems 110. Der Offset 174 kann in der Speichereinheit 180 abgespeichert sein, beispielsweise in mindestens einem Lookup-Table. Insbesondere kann der Offset 174 in der Speichereinheit 180 einprogrammiert sein. Die Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein den Offset 174 mittels mindestens eines Beobachtermodells zu bestimmen, insbesondere bei einem Betrieb eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs. Die Auswerteeinheit 130 kann programmtechnisch eingerichtet sein ein
Referenzsystem nachzubilden. Die Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein Zustandsgrößen, wie Erregersignal 156, Signale 158, 162 der Empfängerspulen 138, mit dem Referenzsystem zu vergleichen und daraus den Offset 174 zu bestimmen.
Die Auswerteeinheit 130 weist mindestens einen Verstärker 182 auf, welcher eingerichtet ist die Ausgangsignale 168, 170 zu normalisieren. Der Verstärker 182 kann eingerichtet ist, um die Ausgangsignale 168, 170 der
anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 140 derart zu normalisieren, dass Amplituden der Ausgangssignale 168, 170 im Wesentlichen identisch sind. Beispielsweise über das Kabel 128 kann das ASIC 140 mit der Auswerteeinheit 130 verbunden sein. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 130 derart ausgestaltet sein, dass die Ausgangssignale 168, 170 des ASICs 140 zunächst zu dem Subtrahierer und anschließend die Offset-subtrahierten Ausgangssignale 184, 186 zu dem Verstärker 182 übermittelt werden. Auch andere Reihenfolgen sind jedoch denkbar.
Die Auswerteeinheit 130 weist mindestens einen Dividierer 188 auf, welcher eingerichtet ist mindestens ein Quotientensignal aus den Ausgangsignalen 168, 170 der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 140 zu bestimmen. Die Division kann eine Division der Ausgangssignale und/oder eine Division von Vielfachen der Ausgangssignale 168, 170, insbesondere der Offset-subtrahierten Ausgangssignale 184, 186, und/oder eine Division von Linearkombinationen der Ausgangssignale 168, 170, insbesondere der Offset-subtrahierten
Ausgangssignale 184, 186, umfassen.
Die Auswerteeinheit 130 weist mindestens eine Arkusfunktionseinheit 190 auf, welche eingerichtet ist, um die Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse
112 rotierenden Elements 114 durch Bestimmen eines Arkustangens des Quotientensignals zu bestimmen. Beispielsweise kann bei einer Verwendung von zwei Empfängerspulen 138 eine der Empfängerspulen 138 ein Signal sin F und die andere Empfängerspulel38 ein Signal cos F generieren, wobei F die Winkelposition ist. Wie oben ausgeführt kann die Berechnung von F durch bestimmen von ί3hF = eΐhF/ooeF und Bestimmen des Arkustangens erfolgen.
Die Auswerteeinheit 130 kann weitere Module aufweisen, wie beispielsweise mindestens einen Filter, welcher eingerichtet ist die Ausgangssignale 158, 162 der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 140 zu filtern.

Claims

Ansprüche
1. Sensorsystem (110) zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), wobei das Sensorsystem (110) mindestens einen induktiven Positionssensor (124) und mindestens eine Auswerteeinheit (130) aufweist, der induktiven Positionssensor (124) umfassend:
mindestens einen Schaltungsträger (132);
mindestens eine Spulenanordnung (134), welche auf dem
Schaltungsträger (132) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (134) mindestens eine Erregerspule (136) und mindestens zwei
Empfängerspulen (138) umfasst;
mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (140), welche eingerichtet ist, um ein Erregersignal (156) für die
Erregerspule (136) bereitzustellen, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) eingerichtet ist, um von den Empfängerspulen (138) erzeugte Signale (158, 162) zu verarbeiten und als
Ausgangssignale (168, 170) an die Auswerteeinheit (130) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet dass, die Auswerteeinheit (130) mindestens einen Subtrahierer (172) aufweist, welcher eingerichtet ist, um mindestens einen Offset (174) von den Ausgangsignalen der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu subtrahieren, wobei die Auswerteeinheit (130) mindestens einen Verstärker (182) aufweist, welcher eingerichtet ist die Ausgangsignale (168, 170) der anwendungsspezifischen integrierten
Schaltung (140) zu normalisieren, wobei die Auswerteeinheit (130) mindestens einen Dividierer (188) aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens ein Quotientensignal aus den Ausgangsignalen (168, 170) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (130) mindestens eine Arkusfunktionseinheit (190) aufweist, welche eingerichtet ist, um die Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) durch Bestimmen eines Arkustangens des Quotientensignals zu bestimmen.
2. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Auswerteeinheit (130) mindestens eine Speichereinheit (180) aufweist, wobei der Offset (174) ein vorbestimmter oder vorgegebener Offset (174) ist, wobei der Offset (174) in der Speichereinheit (180) abgespeichert ist.
3. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (130) eingerichtet ist den Offset (174) mittels mindestens eines Beobachtermodells zu bestimmen.
4. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärker (182) eingerichtet ist, um die Ausgangsignale (168, 170) der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (140) derart zu
normalisieren, dass Amplituden der Ausgangssignale (168, 170) im wesentlichen identisch sind.
5. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) mindestens eine
Demodulationsvorrichtung (160) aufweist, welche eingerichtet ist, um die Signale (158, 162) der Empfängerspulen (138) zu demodulieren, wobei das Demodulieren ein Multiplizieren mit dem Erregersignal (156) umfasst.
6. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (140) mindestens einen Tiefpassfilter (164) aufweist, wobei der Tiefpassfilter (164) eine
Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz aufweist.
7. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal (156) ein im wesentlichen sinusförmiges Erregersignal ist, wobei das Erregersignal (156) eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V aufweist, wobei das Erregersignal (156) eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz aufweist.
8. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (110) mindestens ein mit dem rotierenden Element (114) verbindbares Geberrad (126) aufweist.
9. Sensorsystem (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Rotationseigenschaft ein aktueller Drehwinkel zwischen dem Geberrad (126) und dem induktiven Positionssensor (124) ist.
10. Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der induktive Positionssensor (124) ein induktiver Rotorlagesensor ist.
11. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines Sensorsystems (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst:
Aufnehmen mindestens zweier Signale mittels der Empfängerspulen (138);
- Auswertung der induktiven Signale und Ermittlung der
Rotationseigenschaft mittels einer Auswerteeinheit (130) des
Sensorsystems (110), wobei mindestens ein Offset (174) von den Signalen der Empfängerspulen (138) subtrahiert wird, wobei die Signale normalisiert werden, wobei mindestens ein Quotientensignal aus den Signalen bestimmt wird, wobei die Rotationseigenschaft des um die
Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) durch Bestimmen eines Arkustangens des Quotientensignals bestimmt wird.
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