DE102015220615A1

DE102015220615A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102015220615A1
Application number: DE102015220615.7A
Authority: DE
Inventors: Ingo Herrmann; Fabian Utermoehlen; Stefan Leidich; Thomas Buck; Andreas Merz; Dayo Oshinubi; Oliver Krayl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27
Also published as: CN106996737A

Abstract

Ein Drehwinkelsensor (10), umfasst ein Statorelement (12) mit einer Empfangsspule und wenigstens zwei Sendespulen (20); ein bezüglich des Statorelements (12) drehbar gelagertes Rotorelement (14), das dazu ausgeführt ist, abhängig von einem Drehwinkel unterschiedlich stark mit jeder der wenigstens zwei Sendespulen (20) induktiv zu koppeln; und eine Auswerteeinheit (22) zum Bestimmen des Drehwinkels zwischen dem Rotorelement (14) und dem Statorelement (12). Die Auswerteeinheit (22) ist dazu ausgeführt, die Sendespulen (20) zyklisch der Reihe nach mit Wechselspannung zu versorgen, so dass jeweils eine oder mehrere Sendespulen (20) mit Wechselspannung versorgt werden und die verbleibenden eine oder mehreren Sendespulen unbestromt bleiben; und den Drehwinkel aus den Wechselspannungen zu ermitteln, die durch die bestromten Sendespulen (20) in der Empfangsspule (30) zyklisch induziert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, mit dem beispielsweise ein Drehwinkel zwischen einer Welle und einem weiteren Bauteil bestimmt werden kann.
Stand der Technik
Um Drehwinkel zu messen, sind beispielsweise Drehwinkelsensoren bekannt, bei denen ein Magnet über einen entsprechenden Magnetfeldsensor gedreht wird. Die Messung des Magnetfeldvektors erlaubt dann einen Rückschluss auf den Drehwinkel. Derartige Sensoren reagieren auch auf externe Magnetfelder, die beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln verursacht werden und können sehr störempfindlich sein.
Ein weiterer Typ Drehwinkelsensor nutzt einen Wirbelstromeffekt aus. Dabei wird beispielsweise ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit einer Wechselspannung versorgt werden und in dem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt zur Reduzierung der Induktivitäten der Sensorspulen und erlaubt, über eine Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Beispielsweise sind die Spulen Bestandteil eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich bei einer Veränderung der Induktivität verschiebt. Dieser Typ von Drehwinkelsensor kann jedoch eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Einbautoleranzen (vor allem ein Verkippen des Targets) aufweisen. Auch kann die erzeugte Frequenz durch externe elektromagnetische Felder gestört werden (Injection Locking), da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz gearbeitet wird.
Aus den Druckschriften US 7 191 759 B2 , US 7 276 897 B2 , EP 0 909 955 B1 , US 6 236 199 B1 und EP 0 182 085 B1 sind außerdem Drehwinkelsensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt. In diesen Druckschriften wird in einer einzigen Erregerspule ein elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut, das in mehrere Empfangsspulen koppelt und dort jeweils eine Spannung induziert. Für die Messung des Drehwinkels wird ein drehbar gelagertes, elektrisch leitfähiges Target verwendet, das in Abhängigkeit seiner Winkelposition die induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfangsspulen beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen Drehwinkel zwischen einer Welle und einem weiteren Bauteil auf eine Art und Weise zu bestimmen, so dass Störungen von außen und/oder Bauteiltoleranzen nur wenig Einfluss auf eine Messung haben.
Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, der insbesondere in einer Umgebung mit hohen elektromagnetischen Störfeldern eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Drehwinkelsensor im Motorraum oder in der Nähe des Motorraums eines Fahrzeugs verwendet werden, beispielsweise zur Bestimmung einer Position einer Drosselklappe; einer Rotorposition eines BLDC-Motors, einer Position eines Fahrpedals oder einer Position einer Nockenwelle.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Drehwinkelsensor ein Statorelement mit einer Empfangsspule und wenigstens zwei Sendespulen; ein bezüglich des Statorelements drehbar gelagertes Rotorelement, das dazu ausgeführt ist, abhängig von einem Drehwinkel unterschiedlich stark mit jeder der wenigstens zwei Sendespulen induktiv zu koppeln bzw. mit einem Induktionselement die wenigstens zwei Sendespulen unterschiedlich zu überdecken; und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Drehwinkels zwischen dem Rotorelement und dem Statorelement. Das Statorelement, das auch die Auswerteeinheit (beispielsweise ein IC, also ein integrierter Schaltkreis, oder ein ASIC, also ein anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis) tragen kann, kann beispielsweise gegenüber dem Ende einer Welle angeordnet sein, auf dem das Rotorelement befestigt ist. Das Rotorelement kann ein Target bzw. Induktionselement tragen, das mit der Welle mitbewegt wird, die Sendespulen überdeckt und dadurch die Induktivität der Sendespulen verändert.
Die Auswerteeinheit ist dazu ausgeführt, die Sendespulen zyklisch der Reihe nach mit Wechselspannung zu versorgen, so dass jeweils eine oder mehrere Sendespulen mit Wechselspannung versorgt werden und die verbleibenden eine oder mehreren Sendespulen unbestromt bleiben. In diesem Zusammenhang bedeutet „unbestromt“, dass die betreffende Sendespule nicht direkt von der Auswerteeinheit mit Wechselspannung versorgt wird. Es kann jedoch sein, dass in der betreffenden Sendespule eine Spannung induziert wird. Da alle Sendespulen des Drehwinkelsensors abhängig vom Drehwinkel unterschiedlich stark mit dem Rotor induktiv koppeln, ergibt sich auch eine vom Drehwinkel abhängige Kopplung der Spulen mit der Empfangsspule, die je Sendespule unterschiedlich ist. Dadurch werden in der Empfangsspule zyklisch verschiedene Wechselspannungen induziert, deren Form (wie etwa Phase bzw. Phasenverschiebung) gegenüber einer Erreger- bzw. Sendewechselspannung und/oder Amplitude bzw. Betrag vom Drehwinkel abhängen.
Weiter ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, den Drehwinkel aus den Wechselspannungen zu ermitteln, die durch die bestromten Sendespulen in der Empfangsspule zyklisch induziert werden. Beispielsweise können bei zwei Sendespulen, die während eines Zyklus abwechselnd bestromt werden, jeweils die Phasen und/oder Amplituden der beiden in der Empfangsspule durch die beiden Sendespulen induzierten Wechselspannungen ermittelt bzw. gemessen werden. Aus diesen ermittelten Werten kann dann der Drehwinkel bestimmt werden.
Die Wechselspannung in der Empfangsspule kann durch die Auswerteeinheit dadurch ermittelt werden, dass eine in die Empfangsspule induzierte Spannung ermittelt wird oder ein sich einstellender Strom durch diese gemessen wird. Die den Sendespulen zugeführten Wechselspannungen und/oder die induzierte Wechselspannung können beispielsweise Frequenzen im Bereich zwischen 0,5 und 5 MHz aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, lediglich eine Sendespule gleichzeitig mit Wechselspannung zu versorgen. Beispielsweise können bei zwei Sendespulen, beide Sendespulen in zwei Zeitschritten abwechselnd bestromt werden. Bei drei Sendespulen kann während drei Zeitschritten immer jeweils nur eine der Spulen bestromt werden. Die Auswerteeinheit kann dann je bestromter Sendespule eine Phasenverschiebung der Wechselspannung in der Empfangsspule ermitteln und daraus den Drehwinkel, der von dieser Phasenverschiebung abhängt, bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, wenigstens zwei Sendespulen gleichzeitig mit unterschiedlichen Wechselspannungen zu versorgen und eine in der Empfangsspule induzierte Wechselspannung zu vermessen bzw. zu messen bzw. zu erfassen, um daraus den Drehwinkel zu bestimmen. Zwei oder mehrere der Sendespulen werden (gleichzeitig) bestromt und es wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das, abhängig von der Position des Rotorelements, in der Empfangsspule unterschiedliche Spannungen induziert, die einen Rückschluss auf den Drehwinkel erlauben. Eine oder mehrere weitere Sendespulen bleiben dabei unbestromt. Diese Spulen werden erst innerhalb anderer Zeitschritte während des Zyklus bestromt.
Die Wechselspannungen, mit denen die wenigstens zwei Sendespulen versorgt werden, können darin unterschiedlich sein, so dass sie eine unterschiedliche Frequenz, unterschiedliche Phase und/oder unterschiedliche Amplituden bzw. Beträge aufweisen.
Beispielsweise können zwei Sendespulen gleichzeitig mit Wechselspannungen versorgt werden, deren Phasen um 90° zueinander versetzt sind, die aber ansonsten dieselbe Frequenz und dieselbe Amplitude aufweisen können.
Auch können die Sendespulen mit Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenz versorgt werden, wie etwa mit einem ganzzahligen Vielfachen einer Basisfrequenz. In der Empfangsspule wird dann eine Wechselspannung induziert, die Komponenten aller dieser Frequenzen aufweisen kann, deren Stärke vom Drehwinkel abhängt. Im Falle unterschiedlicher Frequenzen können auch die Beträge bzw. Amplituden der Wechselspannungen verschieden sein.
In diesem Fall kann die Auswerteeinheit Frequenzanteile einer in der Empfangsspule induzierten Wechselspannung voneinander trennen, deren Beträge bzw. Amplituden bestimmen und aus den Amplituden den Drehwinkel bestimmen. Die Frequenzanteile können beispielsweise mit einer Fourier-Analyse der induzierten Wechselspannung ermittelt werden. Auch können die Frequenzanteile mit einem analogen oder digitalen Bandpassfilter ermittelt werden. Dadurch wird vorteilhaft eine besonders gute Sensitivität und Unanfälligkeit für (hochfrequente) Störsignale bewirkt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, in einem Zyklus die Sendespulen der Reihe nach für einen Zeitschritt mit Wechselspannung zu versorgen und den Betrag und/oder die Phase der während dieses Zeitschritts in der Empfangsspule induzierten Wechselspannung zu ermitteln. Ein Zyklus kann die Größenordnung einer Millisekunde aufweisen und/oder kann genauso viele Zeitschritte umfassen, wie Sendespulen vorhanden sind. Bei zwei Spulen kann der Zyklus zwei, bei drei Sendespulen kann der Zyklus drei Zeitschritte aufweisen. Während jedem Zeitschritt werden andere Sendespulen bestromt. Besonders vorteilhaft ist die Zyklusdauer kurz gegen die typische Verstellzeit zwischen zwei Zuständen der an den Drehwinkelsensor angeschlossenen Welle. So kann eine sehr gute Zeitauflösung erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, aus den während eines Zyklus ermittelten Beträgen und/oder Phasen den Drehwinkel zu bestimmen. Der Drehwinkel wird nicht aus einer Messung bestimmt, sondern basierend auf allen Messungen, die während eines Zyklus durchgeführt wurden. Dies kann die Drehwinkelbestimmung erheblich genauer machen, als wenn immer nur die gleichen Spulen bestromt werden würden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, aus den induzierten Wechselspannungen einen axialen Abstand zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement zu bestimmen. Neben dem aktuellen Drehwinkel kann auch der Abstand der beiden Bestandteile (beispielsweise durch eine Mittelung über die Zeit) bestimmt werden, um so systematische Fehler bei der Winkelbestimmung zu reduzieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Empfangsspule und/oder die Sendespulen planare Spulen. Unter einer planaren Spule ist dabei eine Spule zu verstehen, deren Windungen alle im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Eine planare Spule kann beispielsweise nur 1% der Höhe ihres Durchmessers aufweisen. Dabei ist zu verstehen, dass eine Spule einen Leiter aufweisen kann, der aus mehreren Leiterschleifen aufgebaut ist. Eine Leiterschleife kann ein Abschnitt des Leiters sein, der eine von der Spule umlaufene Fläche jeweils einmal nahezu ganz umrundet. Eine Windung kann dabei eine oder mehrere Leiterschleifen der Spule umfassen, die alle die gleiche, von der Spule umlaufene Fläche umrunden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Empfangsspule und/oder die Sendespulen auf und/oder in einer Leiterplatte angeordnet. Beispielsweise können die Windungen alle auf den beiden Seiten einer Leiterplatte aufgebracht sein. Bei einer Leiterplatte mit mehreren Ebenen können die Windungen auch innerhalb der Leiterplatte verlaufen. Die Leiterplatte kann auch Bauteile und/oder ein IC für die Auswerteeinheit tragen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdeckt die Empfangsspule die Sendespulen vollständig. Beispielsweise kann die Empfangspule eine einzige Windung aufweisen (die aber eine Mehrzahl von Leiterschleifen umfassen kann), die die Sendespulen aus axialer Richtung gesehen umläuft.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdecken sich die Sendespulen gegenseitig in einer axialen Richtung zumindest teilweise. Die Sendespulen können im Statorelement im Wesentlichen in einer Ebene (beispielsweise auf oder innerhalb einer Leiterplatte) angeordnet sein, wobei sie in Umfangsrichtung gegeneinander verschoben sind. Jeder der Spulen, d.h. die Sendespulen und/oder die Empfangsspule kann im Wesentlichen in einer Ebene orthogonal zu der axialen Richtung angeordnet sein. Dass sich zwei Spulen in axiale Richtung wenigstens teilweise überdecken, kann so verstanden werden, dass sich die beiden Spulen, wenn sie in der axialen Richtung betrachtet werden, zumindest teilweise überdecken. Dies kann auch so verstanden werden, dass die beiden Spulen bei Projektion in axiale Richtung auf eine Ebene orthogonal zur axialen Richtung sich zumindest teilweise überdecken.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jede der Sendespulen wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander abfolgende Windungen auf. Die Sendespulen können aus axialer Sicht (d.h. mit Blickrichtung in Richtung der Drehachse des Rotorelements) mehrere Schleifen aufweisen, die beispielsweise in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Windungen können in einer Ebene verlaufen, die im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse des Rotorelements verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdeckt die Empfangsspule eine Drehachse des Rotorelements. Die Empfangsspule kann beispielsweise in einer Schleife/einer Windung die Drehachse und die Sendespulen umschließen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umläuft die Empfangsspule lediglich eine Ringfläche oder einen Teil der Ringfläche, die eine Drehachse des Rotorelements umgibt. Die Empfangsspule kann bananenförmig bzw. C-förmig sein. Sie kann eine einzige, längliche Windung aufweisen, die sich an ihren Enden fast berührt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jede der Sendespulen wenigstens eine erste Windung und wenigstens eine zweite Windung auf, wobei die wenigstens eine erste Windung und die wenigstens eine zweite Windung gegenläufig orientiert sind. Wenn eine Sendespule mit einer Wechselspannung versorgt wird, erzeugt sie ein elektromagnetisches Wechselfeld, das bei den ersten Windungen (im Wesentlichen) in eine erste Richtung und bei den zweiten Windungen (im Wesentlichen) in eine zweite, entgegengesetzte Richtung orientiert ist. Die erste und zweite Richtung können im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotorelements verlaufen.
Die von der Sendespule erzeugten Wechselfelder induzieren Ströme im Rotorelement (abhängig von der Stellung des Rotorelements), die wiederum Wechselfelder erzeugen, die mit der Sendespule bzw. deren Windungen wechselwirken und somit die Induktivität verändern.
Ein externes elektromagnetisches Feld, das auf die Sendespule wirkt und das im Wesentlichen homogen durch zwei entgegengesetzt orientierte Windungen verläuft, erzeugt Ströme in der Sendespule, die sich (bei gleich großer Induktivität der Windungen) im Wesentlichen aufheben. Auf diese Weise können externe Störfelder ausgeglichen werden.
Umgekehrt heben sich die Ströme in der Empfangsspule, die durch die von entgegengesetzt orientierten Windungen einer Sendespule erzeugten Magnetfelder induziert werden, gegenseitig auf, wenn diese Magnetfelder gleich groß sind. Durch eine entsprechende Wahl der Windungsflächen kann daher die in der Empfangsspule induzierte Wechselspannung in einer bestimmten Stellung des Induktionselements bzw. des Rotorelements beispielsweise auf 0 (Null) eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind erste Windungen und zweite Windungen einer Sendespule in Umfangsrichtung des Statorelements abwechselnd zueinander angeordnet. Auf diese Weise entsteht pro Sendespule eine Kette von Windungen, die aufeinander abfolgend gegenläufig orientiert sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die von den ersten Windungen umlaufene Fläche gleich einer von den zweiten Windungen umlaufene Fläche. Wenn jede der Windungen die gleiche Anzahl an Leiterschleifen aufweist, führt dies dazu, dass im Wesentlichen homogene Störfelder bereits von der Sendespule unterdrückt werden. Dabei ist möglich, dass eine oder mehrere Sendespulen unterschiedlich große Windungen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umlaufen Windungen einer Sendespule unterschiedlich große Flächen. Bei mehreren Windungen pro Sendespule ist es auch möglich, dass die Sendespulen unterschiedlich große Windungen aufweisen, so dass sich zwar die Sendespulen überdecken, die Windungen jedoch zueinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Windungen der Sendespulen zueinander versetzt angeordnet. Dadurch überdeckt das Rotorelement bzw. ein darauf befindliches Induktionselement jede Sendespule unterschiedlich stark, so dass sich unterschiedliche Induktivitäten der betreffenden Sendespulen ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Empfangsspule und die Sendespulen lediglich in einem Winkelbereich des Statorelements angeordnet. Beispielsweise können die Empfangsspule und die Sendespulen um den Mittelpunkt der Drehachse des Rotorelement um α/N (N Zahl der Sendespulen, α = Sensierbereich des Drehwinkelsensors, <= 360°) zueinander versetzt angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass sich die Sendespulen vollständig überdecken und lediglich ihre Windungen zueinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umrundet die Empfangsspule und jede der Sendespulen das Statorelement komplett. Alle Sendespulen können entweder entlang eines Kreissegmentbogens (< 360°) oder eines vollen Kreisbogens (= 360°) um das Statorelement angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann eine Ringfläche, die nicht die Achse bzw. das Zentrum des Statorelements überdeckt, von der Empfangsspule und/oder den Sendespule überdeckt werden. D.h., die Empfangsspule und/oder die Sendespule können lediglich in einem Randbereich des Statorelements angeordnet sein. Beispielsweise können die Spulen entlang eines Kreisbogensegments (von etwa 120°) angeordnet sein, wobei sich auf dem komplementären Kreisbogensegment (beispielsweise die restlichen 240°) keine Spulen befinden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Rotorelement wenigstens ein Induktionselement bzw. Target auf, das in einem Winkelbereich des Rotorelements angeordnet ist. Mit anderem Worten umläuft das Induktionselement das Rotorelement nur teilweise. Genauso wie die Empfangsspule und/oder die Sendespulen kann das Induktionselement lediglich in einem Randbereich des Rotorelements vorgesehen sein. Das Induktionselement kann ein metallisches Target sein, das auf dem Rotorelement drehbar in axialer Richtung dem Statorelement gegenüberliegend angeordnet ist. Das Induktionselement kann aus Vollmaterial oder aus einem Leiter auf einer Leiterplatte hergestellt sein. Das Induktionselement kann auch durch Aussparungen in einem Vollmaterial, wie beispielsweise Fräsungen oder als Stanzteil, bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdeckt das Induktionselement in axialer Richtung im Wesentlichen lediglich eine Windung einer Sendespule. Das Induktionselement und die Windung der Spule können im Wesentlichen in einer Ebene orthogonal zu der axialen Richtung angeordnet sein. Dass sich das Induktionselement und die Windung in axiale Richtung wenigstens teilweise überdecken, kann so verstanden werden, dass sie sich, wenn sie in der axialen Richtung betrachtet werden, zumindest teilweise überdecken. Dies kann auch so verstanden werden, dass sie sich bei Projektion in axiale Richtung auf eine Ebene orthogonal zur axialen Richtung zumindest teilweise überdecken.
Auf diese Weise ändert das Induktionselement nur die Induktivität höchstens einer Windung und der Drehwinkelsensor erhält eine maximale Auflösung. Es ist auch möglich, dass das Rotorelement mehrere Induktionselemente umfasst, die beispielsweise im gleichen Abstand in Umfangsrichtung um die Drehachse angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Induktionselement für den Drehwinkelsensor aus der 2.
4 zeigt ein Diagramm mit Spulenkopplungen für den Drehwinkelsensor aus der 2.
5 zeigt ein alternatives Spulenlayout für den Drehwinkelsensor aus der 2.
6 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt ein Induktionselement für den Drehwinkelsensor aus der 6.
8A zeigt ein Bestromungsschema für einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8B zeigt ein Bestromungsschema für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Drehwinkelsensor 10 aus einem Statorelement 12 und einem Rotorelement 14. Das Rotorelement 14 kann auf einer Welle 16 eines Bauteils, wie etwa einer Drosselklappe, einem Motor, einer Nockenwelle, eines Fahrpedals usw., befestigt sein oder von der Welle 16 bereitgestellt werden. Die Welle 16 ist um die Achse A drehbar und das Statorelement 12 liegt dem Rotorelement 14 in der entsprechenden axialen Richtung gegenüber.
Beispielsweise ist das Statorelement 12 an einem Gehäuse des Bauteils befestigt.
Das Statorelement 12 umfasst eine Leiterplatte 18, auf der eine Mehrzahl von Sendespulen 20 und eine Empfangsspule 30 in der Ebene der Leiterplatte 18 angeordnet ist. Die Leiterplatte 18 kann eine mehrlagige Leiterplatte 18 sein und die Leiter der Spulen 20, 30 können sich auf den beiden Seiten der Leiterplatte 18 und zwischen den einzelnen Lagen der Leiterplatte 18 befinden. Auf der Leiterplatte 18 können sich weitere Bauelemente für eine Auswerteeinheit 22 befinden. Die Auswerteeinheit 22 kann jede der Sendespulen 20 mit einer Wechselspannung versorgen und eine induzierte Wechselspannung in der Empfangsspule 20 ermitteln. Basierend auf dieser Messung kann die Auswerteeinheit 22 einen relativen Drehwinkel zwischen dem Statorelement 12 und dem Rotorelement 14 bestimmen.
Das Rotorelement 14 umfasst ein oder mehrere Induktionselemente 24, die in axialer Richtung den Sendespulen 20 und Empfangsspulen 30 gegenüberliegen. Die Induktionselemente 24 können, wie in der 1 gezeigt, auf einer weiteren Leiterplatte angeordnet sein, die an der Welle 16 befestigt ist. Es ist auch möglich, dass das oder die Induktionselement(e) 24 durch Bearbeiten eines Endes der Welle 16 erzeugt werden.
Die 2 zeigt einen Drehwinkelsensor 10 mit drei Sendespulen 20a, 20b, 20c (einer ersten Sendespule 20a, einer zweiten Sendespule 20b und einer dritten Sendespule 20c), die an ersten Anschlüssen 26 mit der Auswerteeinheit 22 und mit zweiten Anschlüssen 28 in einem Sternpunkt 32 verbunden sind, der über die Auswerteeinheit 22 z.B. mit Masse verbunden sein kann.
Die Empfangsspule 30 ist über Anschlüsse 26‘, 28‘ mit der Auswerteeinheit 22 verbunden, die beispielsweise einen in der Empfangsspule 30 induzierte Spannung messen kann und daraus dann eine Amplitude bzw. einen Betrag und eine Phase der induzierten Wechselspannung ermitteln kann.
Der Aufbau des Drehwinkelsensors 10 entspricht einem Transformator mit mehreren Primärspulen (Sendespulen 20a, 20b, 20c), die über ein Induktionselement 24 in eine Empfangsspule 30 koppeln.
Die drei Sendespulen 20a, 20b, 20c werden von der Auswerteeinheit 22 zyklisch mit Wechselspannungen versorgt. Beispielsweise werden innerhalb eines Zyklus aus drei Zeitschritten zuerst die Sendespule 20a, dann die Sendespule 20b und dann die Sendespule 20c mit einer Wechselspannung versorgt, wobei die anderen beiden Sendespulen unbestromt bleiben. Durch die vom Drehwinkel abhängige Stellung des Induktionselements 24 koppeln die Sendespulen 20a, 20b, 20c abhängig vom Drehwinkel unterschiedlich stark mit dem Induktionselement 24. Somit werden je nach Drehwinkel in der Empfangsspule 30 in jedem Zeitschritt unterschiedliche Wechselspannungen induziert, deren Betrag und/oder Phase ermittelt werden kann.
Innerhalb eines Zyklus können somit für drei verschiedene Konfigurationen von einer bestromten und zwei unbestromten Sendespulen 20 jeweils zwei verschiedene Beträge und/oder Phasen ermittelt werden, aus denen die Auswerteeinheit 22 dann den aktuellen Drehwinkel berechnen kann.
Alternativ dazu kann die Auswerteeinheit 22 auch während eines Zeitschritts je zwei Sendespulen bestromen, wobei die dritte Sendespule unbestromt bleibt.
Die 2 zeigt weiter, dass die drei Sendespulen 20a, 20b, 20c als planare Sendespulen mit mehreren in einer Ebene liegenden Windungen 34 ausgeführt sind. Die Sendespulen 20a, 20b, 20c bzw. deren Windungen 34 sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt auf dem Statorelement 12 angeordnet. Die Empfangsspule 30 weist lediglich eine Windung 34‘ auf.
Durch die vom Drehwinkel abhängige Stellung des oder der Induktionselemente 24 koppeln die Sendespulen 20a, 20b, 20c aufgrund ihrer Windungen 34 abhängig vom Drehwinkel unterschiedlich stark mit dem Induktionselement 24 (hier nicht dargestellt). Da die Empfangsspule 30 das oder die Induktionselement(e) 24 mit seiner Windung 34‘ immer vollständig überdeckt, ist die Kopplung zwischen der Empfangsspule 30 und dem oder den Induktionselemente(n) 24 im Wesentlichen unabhängig vom Drehwinkel. Somit wird durch die Sendespulen 20a, 20b, 20c je nach Drehwinkel in der Empfangsspule 30 eine Wechselspannung induziert, deren Betrag und/oder Phase ermittelt werden kann. Beispielsweise kann in der Empfangsspule 30 ein Wechselstrom bzw. ein Betrag und/oder eine Phase dieses Wechselstroms gemessen werden, aus dem die Spannung bzw. deren Betrag und/oder Phase abgeleitet werden kann.
Neben dem Drehwinkel kann auch der Abstand des Induktionselements 24 bzw. des Rotorelements 14 von dem Statorelement 12 aus den ermittelten Phasen und/oder Beträgen der induzierten Wechselspannung(en) bestimmt werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung über mehrere Messungen.
In der 2 wird ein Drehwinkelsensor 10 gezeigt, bei dem die Sendespulen 20a, 20b, 20c und die Empfangsspule 30 das Statorelement 12 vollständig umgeben. Die Sendespulen 20a, 20b, 20c sind identisch aufgebaut, aber zueinander um die Achse A verschoben bzw. auf dem Statorelement 12 zueinander versetzt angeordnet. Die jeweils 6 Windungen 34 jeder Sendespule 20a, 20b, 20c umlaufen alle jeweils die gleiche Fläche, um äußere Störfelder zu kompensieren.
Die 3 zeigt aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Sendespule 20a. Jede der Sendespulen 20a, 20b, 20c umfasst gegenläufige Windungen 34a, 34b, die in erste Windungen 34a mit einer ersten Orientierung und in zweite Windungen 34b mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung unterteilt werden können. Mit anderen Worten: durchläuft der Strom die ersten Windungen 34a bezüglich der Achse z.B. im Uhrzeigersinn, dann durchläuft er die zweiten Windungen 34b entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Windungen 34a, 34b jeder Sendespule sind in Umfangsrichtung um die Achse A aufeinander abfolgend angeordnet, so dass sich eine Kette von Windungen mit abwechselnder Orientierung ergibt.
Die ersten Windungen 34a und die zweiten Windungen 34b umlaufen jeweils die gleiche Fläche, so dass ein homogenes (Stör-)Magnetfeld durch jede der Sendespulen 20a, 20b, 20c zwar einen Strom in der jeweiligen Windung 34a, 34b erzeugt, wobei sich die einzelnen Ströme jedoch in einer Sendespule 20a, 20b, 20c gegenseitig aufheben.
Die Anzahl der Windungen 34a, 34b ist nicht auf 6 beschränkt, es sollte jedoch eine gerade Zahl sein, um Störfelder zu kompensieren. Aus der Anzahl der Windungen 34a, 34b und dem Öffnungswinkel ergibt sich die Periodizität des Drehwinkelsensors 10.
Durch die Ausführung der Sendespulen 20a, 20b, 20c als Planarspulen mit gegenläufigen Windungen 34 werden beispielsweise bei Beaufschlagung der Sendespule 20a mit einer Wechselspannung (ohne Induktionselement 24) in den Windungen 34a, 34b jeweils elektromagnetischen Wechselfelder unterschiedlichen Vorzeichens erzeugt. Da die umschlossenen Flächen von rechtslaufenden und linkslaufenden Windungen 34a, 34b jeweils gleich groß sind, heben sich die Felder nach außen auf und in der Empfangsspule 30 wird keine Spannung induziert: Wird nun durch ein oder mehrere Induktionselemente 24 ein Teil der Sendespulenfläche abgeschirmt, heben sich die Teilfelder nicht mehr auf und es wird eine Spannung in der Empfangsspule 30 induziert.
Die 3 zeigt weiter, dass auf dem Rotorelement 14 drei Induktionselemente 24 angeordnet sein können. Durch die drei um 120° zueinander versetzte Induktionselemente 24, die jeweils in etwa eine Windung 34a, 34b überdecken, kann sich eine bessere Kompensation von Toleranzen bei einem Eindeutigkeitsbereich von 120° ergeben.
Wie die 3 zeigt, ist das Induktionselement 24 in etwa so groß wie eine Windung, d.h. überdeckt aus axialer Sicht in etwa die gleiche Fläche. Jede der Windungen 34a, 34b erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum in dem Induktionselement 24 Wirbelströme erzeugt, die wiederum ein Magnetfeld erzeugen, die in der jeweiligen Windung Ströme erzeugen und so die Induktivität der jeweiligen Windung 34a, 34b und somit die Gesamtinduktivität der Sendespule 20a, 20b, 20c verändern. Abhängig von der Winkelstellung des Rotorelements 14 mit dem Induktionselement ändert sich somit die Induktivität der Sendespulen 20a, 20b, 20c. Da die Windungen 34a, 34b der verschiedenen Sendespulen 20a, 20b, 20c versetzt zueinander angeordnet sind, ändert das Induktionselement 24 die Induktivitäten jeder Sendespule 20a, 20b, 20c zusätzlich unterschiedlich, so dass sich eine gute Winkelauflösung des Drehwinkelsensors 10 ergibt.
Die 4 zeigt ein Diagramm mit Koppelfaktoren zwischen der Empfangsspule 30 und den Sendespulen 20a, 20b, 20c, bei dem der Koppelfaktor nach oben und der Drehwinkel nach rechts aufgetragen sind. Die Kopplungen zwischen den Sendespulen 20a, 20b, 20c und dem oder den Induktionselementen 24 ist abhängig von dessen Drehwinkel relativ zu den Sendespulen 20a, 20b, 20c. Eine höhere Überdeckung jeweils einer einzigen Windung 34a, 34b durch das oder die Induktionselemente 24 bedeutet eine kleinere Kopplung dieser Windung 34a, 34b. Sind alle erste Windungen 34a oder alle zweite Windungen 34b durch die Induktionselemente 24 überdeckt, so ergibt sich insgesamt eine maximale Kopplung der nicht überdeckten Windungen zur Empfangsspule. Das Vorzeichen hängt vom Richtungssinn der Empfangsspule ab.
Die 5 zeigt eine Alternative zu der Empfangsspule 30 aus den 2 und 3.
In den 2 und 3 umläuft die Empfangsspule 30 das gesamte Statorelement 12 in einer Windung 34‘, die mit der eingeschlossenen Fläche auch die Achse A überdeckt. Alternativ dazu umrundet die einzige Windung 34‘ der Empfangsspule 30 der 5 die Sendespulen 20a, 20b, 20c an einem Außenrand einer Ringfläche 37, kehrt dann die Richtung um und umrundet die Ringfläche 37 dann an einem Innenrand in Gegenrichtung. Die Empfangsspule 30 aus der 5 überdeckt, wie die Empfangsspule 30 aus den 2 und 3, die Sendespulen 20a, 20b, 20c. In der 5 überdeckt die Empfangsspule 30 jedoch nicht den Bereich des Statorelements 12 um die Achse A.
Die 6 und 7 zeigen Darstellungen analog den 2 und 3 für einen Drehwinkelsensor 10. Wenn nichts anderes beschrieben wird, gelten die Ausführungen zu den 2 und 3 entsprechend.
Bei 6 überdecken die Sendespulen 20a, 20b, 20c und die Empfangsspule 30 lediglich einen Winkelbereich um die Achse A kleiner als 360° (hier etwa 120°). Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Sendespulen 20a, 20b, 20c so dargestellt, als ob sie nicht den kompletten Winkelbereich überdecken würden, was aber möglich wäre.
Die Windungen 34 der Sendespulen 20b, 20c sind unterschiedlich groß, um einen Versatz der Windungen 34 verschiedener Sendespulen 20a, 20b, 20c zu erreichen. Die Fläche der Windungen 34a einer Orientierung ist jedoch genauso groß, wie die Fläche der Windungen 34b der gegenläufigen Orientierung.
Die 7 zeigt ein Induktionselement 24 passend zu dem Drehwinkelsensor aus der 6 und zeigt aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Sendespule 20a. Die 7 zeigt, dass es möglich ist, lediglich nur ein Induktionselement 24 zu verwenden, das aber auch wieder eine Größe aufweist, so dass jeweils eine Windung 34a, 34b überdeckt wird.
Die 8A zeigt ein Diagramm mit einem Bestromungszyklus 36 für die Sendespulen 20a, 20b, 20c des Drehwinkelsensors aus der 2 oder 6. Der Zyklus 36 besteht aus drei gleich langen Zeitschritten 38 (in der Größenordnung von einer Millisekunde). Im Allgemeinen ist die Anzahl der Schritte 38 gleich der Anzahl der Sendespulen 20a, 20b, 20c.
Während des ersten Schritts 38 wird die erste Sendespule 20a mit Wechselspannung versorgt, d.h. dient als Sende- bzw. Erregerspule. Die anderen beiden Sendespulen 20b, 20c werden nicht bestromt. Gleichzeitig kann beispielsweise ein erster Phasenversatz zwischen der Erreger-Wechselspannung in der ersten Sendespule 20a und der in der Empfangsspule 30 induzierten Wechselspannung ermittelt werden.
In den folgenden Schritten werden die Rollen der Sendespulen zyklisch vertauscht: Im zweiten Schritt 38b wird die zweite Sendespule 20b bestromt und die erste Sendespulen 20a und die dritte Sendespule 20c bleiben unbestromt. Gleichzeitig kann ein zweiter Phasenversatz ermittelt werden. Im dritten Schritt wird die dritte Sendespule 20c bestromt, die erste Sendespulen 20a und die zweite Sendespule 20b bleiben unbestromt, und ein dritter Phasenversatz kann ermittelt werden. Am Ende des Zyklus kann die Auswerteeinheit 22 nun aus den drei Phasenversatzen den Drehwinkel bestimmen. Anschließend beginnt der nächste Zyklus wieder mit dem ersten Schritt.
Die 8B zeigt ein Diagramm mit einem weiteren Bestromungszyklus 36 für die Sendespulen 20a, 20b, 20c des Drehwinkelsensors aus der 2 oder 6, bei dem pro Zeitschritt 38 jeweils zwei Sendespulen bestromt werden.
Im ersten Schritt 38a werden die erste und die zweite Sendespule 20a, 20b bestromt und die dritte Sendespule 20c bleibt unbestromt. Im zweiten Schritt 38b werden die erste und die dritte Sendespule 20a, 20c bestromt und die zweite Sendespule 20b bleibt unbestromt. Im dritten Schritt 38c werden die zweite und die dritte Sendespulen 20b, 20c bestromt und die erste Sendespule 20a bleibt unbestromt.
Die beiden bestromten Sendespulen 20a, 20b, 20c können mit zwei unterschiedlichen Wechselspannungen unterschiedlicher Phase aber gleicher Frequenz bestromt werden, beispielsweise mit um 90° phasenverschobenen Wechselspannungen. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit 22 auch pro Zeitschritt einen Phasenversatz bestimmen und aus den Phasenversätzen eines Zyklus den Drehwinkel bestimmen.
Die beiden bestromten Sendespulen 20a, 20b, 20c können alternativ mit zwei unterschiedlichen Wechselspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen versorgt werden, die in der Empfangsspule 30 abhängig vom Drehwinkel eine Wechselspannung induzieren, die zwei Komponenten mit den beiden Frequenzen aufweist. Diese Komponenten können beispielsweise mit Fourier-Analyse oder einem Bandpassfilter voneinander abgetrennt und daraus der Betrag und/oder die Phase der Komponentenspannungen ermittelt werden. Aus den Beträgen und/oder Phasen der Frequenzkomponenten eines Zyklus kann dann der Drehwinkel bestimmt werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7191759 B2 [0004]
US 7276897 B2 [0004]
EP 0909955 B1 [0004]
US 6236199 B1 [0004]
EP 0182085 B1 [0004]

Claims

Drehwinkelsensor (10), umfassend: ein Statorelement (12) mit einer Empfangsspule und wenigstens zwei Sendespulen (20); ein bezüglich des Statorelements (12) drehbar gelagertes Rotorelement (14), das dazu ausgeführt ist, abhängig von einem Drehwinkel unterschiedlich stark mit jeder der wenigstens zwei Sendespulen (20) induktiv zu koppeln; eine Auswerteeinheit (22) zum Bestimmen des Drehwinkels zwischen dem Rotorelement (14) und dem Statorelement (12); dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, die Sendespulen (20) zyklisch der Reihe nach mit Wechselspannung zu versorgen, so dass jeweils eine oder mehrere Sendespulen (20) mit Wechselspannung versorgt werden und die verbleibenden eine oder mehreren Sendespulen unbestromt bleiben; und die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, den Drehwinkel aus den Wechselspannungen zu ermitteln, die durch die bestromten Sendespulen (20) in der Empfangsspule (30) zyklisch induziert werden.
Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, lediglich eine Sendespule (20) gleichzeitig mit Wechselspannung zu versorgen.
Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, wenigstens zwei Sendespulen (20) gleichzeitig mit unterschiedlichen Wechselspannungen zu versorgen; und/oder wobei Wechselspannungen, mit denen die Sendespulen (20) versorgt werden, unterschiedliche Frequenz, unterschiedliche Phase und/oder unterschiedlichen Betrag aufweisen.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, in einem Zyklus die Sendespulen der Reihe nach für einen Zeitschritt mit Wechselspannung zu versorgen und den Betrag und/oder die Phase der während dieses Zeitschritts in der Empfangsspule induzierten Wechselspannung zu ermitteln; wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, aus den während eines Zyklus ermittelten Beträgen und/oder Phasen den Drehwinkel zu bestimmen.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgeführt ist, aus den induzierten Wechselspannungen einen axialen Abstand zwischen dem Statorelement (12) und dem Rotorelement (14) zu bestimmen.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspule (30) und/oder die Sendespulen (20) planare Spulen sind; und/oder wobei die Empfangsspule (30) und/oder die Sendespulen (20) auf und/oder in einer Leiterplatte (18) angeordnet sind; und/oder wobei die Empfangsspule (30) die Sendespulen (20) vollständig überdeckt; und/oder wobei sich die Sendespulen (20) gegenseitig in einer axialen Richtung zumindest teilweise überdecken; und/oder wobei jede der Sendespulen (20) wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander abfolgende Windungen (34) aufweist.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspule (30) eine Drehachse des Rotorelements (14) überdeckt; oder wobei die Empfangsspule (30) lediglich eine Ringfläche (37) oder einen Teil der Ringfläche (37), die eine Drehachse des Rotorelements (14) umgibt, umläuft.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Sendespulen (20) wenigstens eine erste Windung (34a) und wenigstens eine zweite Windung (34b) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Windung (34a) und die wenigstens eine zweite Windung (34b) gegenläufig orientiert sind; und/oder wobei erste Windungen (34a) und zweite Windungen (34b) einer Sendespule (20) in Umfangsrichtung des Statorelements (12) abwechselnd aufeinander angeordnet sind; und/oder wobei die von den ersten Windungen (34a) umlaufene Fläche gleich einer von den zweiten Windungen (34b) umlaufene Fläche ist; und/oder wobei Windungen (34a, 34b) einer Sendespule (20) unterschiedlich große Flächen umlaufen; und/oder wobei Windungen (34a, 34b) der Sendespulen (20) zueinander versetzt angeordnet sind.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangsspule und die Sendespulen (20) in lediglich einem Winkelbereich des Statorelements (12) angeordnet sind; oder wobei die Empfangsspule und jede der Sendespulen (20) das Statorelement (14) komplett umrunden.
Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorelement (14) wenigstens ein Induktionselement (24) aufweist, das in einem Winkelbereich des Rotorelements angeordnet ist; und/oder wobei das Induktionselement (24) in axialer Richtung lediglich eine Windung (34a, 34b) einer Sendespule (20) überdeckt.