DE102018121560A1

DE102018121560A1 - Hochauflösende Induktions-/Frequenzmessung mit einem langsamen Mikrokontroller

Info

Publication number: DE102018121560A1
Application number: DE102018121560.6A
Authority: DE
Inventors: Zoltán BARANYAI
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Induktiver Sensor (15) aufweisend einen LC-Oszillator (18), der einen LC- oder LR-Schwingkreis (17) mit Kondensator (19) und Spule (16), die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC- oder LR-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, wobei der induktive Sensor (15) einen lokalen Oszillator (19) und einen Mischer (20) umfasst, wobei am Eingang des Mischers (20) ein Ausgangssignal des lokalen Oszillators (19) und das Signal des LC- oder LR-Oszillators (18) anliegt und der Mischer derart ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Mischers ein Differenzsignal der beiden Signale ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug aufweisend den induktiven Sensor und ein Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels mit einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Lenkwinkelsensoren messen den Einschlagwinkel des Lenkrades eines Kraftfahrzeuges. Dementsprechend soll unter dem Begriff „Lenkwinkel“ in der vorliegenden Beschreibung der Drehwinkel der Lenkwelle und des damit gekoppelten Lenkrades verstanden werden, nicht jedoch der Einschlagswinkel der gelenkten Räder des Fahrzeugs.
Auch bei Drehmomentsensoren kommen Drehwinkelsensoren zum Einsatz. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können.
Es sind induktive Winkelsensoren bekannt, die eine hohe Genauigkeit aufweisen. Im Wesentlichen besteht ein induktiver Sensor aus drei Hauptelementen. Einem Oszillator, der ein von allein schwingendes System ist, die Frequenzeinheit, die die Daten sowohl vergleicht als auch auswertet und der Ausgabeeinheit, der die Werte in ein elektrisches Signal umwandelt. Im Betrieb erzeugen induktive Sensoren mit Hilfe einer Magnetspule ein magnetisches, hochfrequentes Wechselfeld. Dadurch dass induzierte Wirbelströme hervorgerufen werden, wird eine Veränderung der Impedanz der Magnetspule bewirkt. Diese Impedanz wirkt dem Magnetfeld entgegen und wird elektronisch in ein Schaltsignal umgewandelt. Bewegt sich ein metallisches Objekt in dem entstandenen Magnetfeld, wird ein Wirbelstrom im Objekt induziert, was dem Magnetfeld entgegenwirkt und somit Energie entzieht. Eine dadurch entstehende Frequenzänderung wird mittels eines Referenzoszillators gemessen.
In induktiven Sensoren werden ganz allgemein Mikrocontroller eingesetzt. Mikrokontroller sind kleine Computer auf einem einzigen integrierten Schaltkreis. Sie enthalten einen oder mehrere Prozessorkerne sowie nichtflüchtigen Programmspeicher, SRAM-Datenspeicher und programmierbare Peripheriegeräte wie Timer, ADCs und DACs. Induktive Winkelsensoren benötigen für ihren Einsatz in Lenkwellen eine hohe Auflösung der Frequenz- oder Zeitmessung. Diese erfolgt mit einem Mikrokontroller, der einen Timer mit hoher Taktfrequenz hat. Solche Timer werden üblicherweise nur in schnellen Mikrocontrollern eingesetzt, die kostspielig sind.
Die Offenlegungsschrift EP 1 217 334 A2 offenbart einen induktiven Winkelsensor mit einer Oszillatorschaltung, die einen Schwingkreis mit einem gepulsten Signal mit einer vorgegebenen Frequenz ansteuert. Der Schwingkreis umfasst einen Widerstand, die Erregerspule des Sensors und einen Kondensator. Die Impedanzschwankungen der Erregerspule führen zu einer Phasenverschiebung des Spannungssignals an beiden Seiten des Kondensators, die von einer Detektionseinheit gemessen wird, um dann daraus einen Lenkwinkel zu bestimmen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen induktiven Winkelsensor anzugeben, der eine hohe Auflösung aufweist und trotzdem kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird von einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels mit einem induktiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Demnach ist ein induktiver Sensor aufweisend einen LC- oder LR-Oszillator, der einen LC- oder LR-Schwingkreis mit einem Kondensator oder einem Widerstand und einer Spule, die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC- oder LR-Oszillators durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, vorgesehen, wobei der induktive Sensor einen lokalen Oszillator und einen Mischer umfasst, und wobei am Eingang des Mischers ein Ausgangssignal des lokalen Oszillators und das Signal des LC- oder LR-Oszillators anliegt und der Mischer derart ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Mischers ein Differenzsignal der beiden Eingangssignale ist. Die Frequenz des Mixerausgangs kann somit sehr niedrig gewählt werden, so dass das Signal mit hoher Genauigkeit ausgewertet werden kann. Zudem ist ein schneller Mikroprozessor nicht notwendig, wodurch Kosten eingespart werden können.
Vorzugsweise ist der Mischer ein multiplikativer Mischer.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators einen vordefinierten, zeitlich konstanten Wert auf. Es kann aber stattdessen auch vorgesehen sein, dass der induktive Sensor eine Rückkopplung von dem Ausgangssignal des Sensors zu dem lokalen Oszillator hin zur Anpassung der Frequenz des lokalen Oszillators an die Frequenz des Ausgangssignals des LC- oder LR-Oszillators aufweist. Die Frequenz des Ausgangssignals des Sensors kann so theoretisch Null sein, beziehungsweise sehr niedrig sein.
Es ist besonders kostengünstig, wenn der Mischer ein programmierbarer Logikbaustein eines Mikrokontrollers ist, insbesondere ein D-Flip-Flop.
Vorzugsweise ist der lokale Oszillator ein Timer eines Mikrokontrollers oder PLL des Mikrocontrollers ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der induktive Sensor ein induktiver Winkelsensor zur Messung einer Drehlage einer Lenkwelle.
Weiterhin ist eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend eine Lenkwelle die drehbar um eine Lenkwellendrehachse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen Elektromotor zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen zuvor beschriebenen induktiven Sensor.
Zudem ist ein Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle mit einem induktiven Sensor aufweisend einen Oszillator, der einen LC- oder LR-Schwingkreis mit einem Kondensator oder einem Widerstand und einer Spule, die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC- oder LR-Oszillators durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, vorgesehen. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

• Mischen des Signals des LC- oder LR-Oszillators mit einem Ausgangssignal eines lokalen Oszillators mittels eines Mischers, wobei das Ausgangssignal des Mischers ein Differenzsignal der beiden Eingangssignale ist,
• Analysieren des Ausgangssignals des Mischers mittels einer Periodendauer- oder Frequenzmessung.

Vorzugsweise ist der Mischer ein multiplikativer Mischer.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators einen vordefinierten, zeitlich konstanten Wert auf. Es kann aber stattdessen auch vorgesehen sein, dass das Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte umfasst:

• Rückführung des Ausgangssignals des Mischers oder des Ausgangssignals der Periodendauer- oder Frequenzmessung zu dem lokalen Oszillator, und
• Anpassung der Frequenz des lokalen Oszillators an die Frequenz des Ausgangssignals des LC- oder LR-Oszillators.

Die Frequenz des Ausgangssignals des Sensors kann so theoretisch Null sein, beziehungsweise sehr niedrig sein.
Es ist besonders kostengünstig, wenn der Mischer ein programmierbarer Logikbaustein eines Mikrokontrollers ist, insbesondere ein D-Flip-Flop.
Vorzugsweise ist der lokale Oszillator ein Timer eines Mikrokontrollers oder PLL des Mikrocontrollers ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Anpassung derart erfolgt, dass die Frequenz des Ausgangssignals des Mischers so gering wie möglich ist, aber auch in einer dynamischen Situation sicher nicht negativ, also stets positiv, wird.
Vorzugsweise ist der lokale Oszillator ein Timer eines Mikrokontrollers.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei bei dem Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle mit einem induktiven Winkelsensor gemessen wird, der die raumfest angeordnete Spule, die Teil des Schwingkreises ist, aufweist, wobei die Spule wenigstens eine sich mit der Lenkwelle drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle erstreckende Spur abtastet, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des LC- oder LR-Schwingkreises mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens detektiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung mit einem induktiven Winkelsensor, sowie
2: ein Blockschaltbild eines induktiven Winkelsensors.

In der 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 50 einer Zahnstange 5. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 5 ein Lenkgetriebe. Die Zahnstange 5 ist in einem dritten Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 5 mit Spurstangen 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 6 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 7 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 5 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 7. Die gelenkten Räder 7 erfahren über eine Fahrbahn 70 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 mit einem Rotorlagensensor (RPS) einer Servoeinheit 9 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Servoeinheit 9 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10,11,12 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10,11,12 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 5 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10,11,12 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt.
Es ist eine Drehmomentsensoreinheit 13, die Teil einer integralen Baueinheit ist, die eine Lenkwinkelsensoreinheit 14 umfasst, vorgesehen. Die Drehmomentsensoreinheit 13 erfasst die Verdrehung einer oberen Lenkwelle 30 gegenüber einer unteren Lenkwelle 31 als ein Maß des an der oberen Lenkwelle 30 manuell vom Fahrer ausgeübten Drehmomentes. Die Lenkwinkelsensoreinheit 14 hingegen misst den aktuellen Lenkwinkel der unteren Lenkwelle 31.
Die oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 sind drehelastisch über einen Drehstab miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen der oberen Lenkwelle 30 und der unteren Lenkwelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmomentsensor bezeichnet. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 13 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit eine Hilfskraftunterstützung für den Fahrer bereit.
2 zeigt ein Blockschaltbild des induktiven Sensors, bevorzugt eines induktiven Winkelsensors 15 einer Lenkwinkelsensoreinheit 14 zur Messung des Lenkwinkels. Eine Spule 16 des induktiven Winkelsensors ist Teil eines LC-Schwingkreises 17 eines LC-Oszillators 18. Der lokale Oszillator 19 gibt ein Signal mit einer Frequenz aus, die hinreichend genau ist. Das Ausgangssignal des LC-Oszillators 18 und das Ausgangssignal des lokalen Oszillators 19 sind Eingangssignale für einen Mischer 20. Der Mischer 20 ist ein multiplikativer Mischer, der die beiden Eingangssignale 18,19 multipliziert. Das Ergebnis ist eine Summe und eine Differenz der beiden Signale 18,19, wobei durch einen nicht dargestellten Bandpassfilter das Differenzsignal als Ausgangssignal bereitgestellt wird. Das so generierte Ausgangssignal hat eine niedrige Frequenz als das Ausgangssignal des LC-Oszillators 18, und kann somit mit einer höheren Auflösung ausgewertet werden. Zudem kann ein langsamer Mikrokontroller verwendet werden. Ein schneller Mikrokontroller ist nicht notwendig.
Es kann vorgesehen sein, dass die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators 19 einen festen Wert ein nimmt oder das die Frequenz der Änderung des Eingangssignals (Ausgangssignals des LC-Oszillators) folgt, so dass das Ausgangssignals des Sensors eine sehr niedrige Frequenz oder sogar eine Frequenz gleich Null aufweist. Für den Fall, dass die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators 19 angepasst werden soll, ist eine Rückkopplung 21 des Ausgangssignals des Sensors zu dem lokalen Oszillator 19 vorgesehen.
Zur Messung des Ausgangssignals des Mischers kann eine Periodendauer- oder Frequenzmessung 22 angewendet werden. Diese unterscheiden sich hinsichtlich Messwerterfassungszeit und Genauigkeit. Das resultierende Ausgangssignal des Sensors ist ein Maß für den gemessenen Lenkwinkel.
Der Mischer 20 ist bevorzugt als programmierbarer Logikbaustein, insbesondere D-Flip-Flop, umgesetzt, der Teil eines Mikrokontrollers sein kann.
Der lokale Oszillator 19 ist bevorzugt ein Timer des Mikrokontrollers oder ein PLL-Logik, insbesondere ein Quarzoszillator. Für den Fall der Rückkopplung kann ein VCO (voltage controlled oscillator) vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1217334 A2 [0006]

Claims

Induktiver Sensor (15) aufweisend einen LC- oder LR-Oszillator (18), der einen LC- oder LR-Schwingkreis (17) mit einem Kondensator (19) oder einem Widerstand und einer Spule (16), die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC- oder LR-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (15) einen lokalen Oszillator (19) und einen Mischer (20) umfasst, wobei am Eingang des Mischers (20) ein Ausgangssignal des lokalen Oszillators (19) und das Signal des LC- oder LR-Oszillators (18) anliegt und der Mischer (20) derart ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Mischers (20) ein Differenzsignal der beiden Signale ist.
Induktiver Sensor (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein multiplikativer Mischer ist.
Induktiver Sensor (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators (19) einen vordefinierten, zeitlich konstanten Wert aufweist.
Induktiver Sensor (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (15) eine Rückkopplung von dem Ausgangssignal des Sensors (15) zu dem lokalen Oszillator (19) hin zur Anpassung der Frequenz des lokalen Oszillators (19) an die Frequenz des Ausgangssignals des LC- oder LR-Oszillators (18) aufweist.
Induktiver Sensor (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein programmierbarer Logikbaustein eines Mikrokontrollers ist.
Induktiver Sensor (15) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein D-Flip-Flop ist.
Induktiver Sensor (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Oszillator (19) ein Timer eines Mikrokontrollers oder PLL des Mikrocontrollers ist.
Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (15) ein induktiver Winkelsensor zur Messung einer Drehlage einer Lenkwelle ist.
Elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkwelle (3,31) die drehbar um eine Lenkwellendrehachse gelagert ist und verschiedene Drehlagen einnehmen kann, einen Elektromotor (8) zur Unterstützung einer Lenkbewegung und einen induktiven Winkelsensor (15) gemäß Anspruch 8.
Verfahren zur hochauflösenden Messung eines Drehwinkels einer Lenkwelle mit einem induktiven Sensor (15) aufweisend einen LC-Oszillator (18), der einen LC- oder LR Schwingkreis (17) mit einem Kondensator (19) oder einem Widerstand und einer Spule (16), die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugen kann, umfasst, und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Signals des LC- oder LR-Oszillators (18) durch ein in das Wechselfeld eingebrachtes metallisches Objekt zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: • Mischen des Signals des LC- oder LR-Oszillators (18) mit einem Ausgangssignal eines lokalen Oszillators (19) mittels eines Mischers (20), wobei das Ausgangssignal des Mischers (20) ein Differenzsignal der beiden Signale ist, • Analysieren des Ausgangssignals des Mischers (20) mittels einer Periodendauer- oder Frequenzmessung.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein multiplikativer Mischer ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators (19) einen vordefinierten, zeitlich konstanten Wert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass folgende weitere Verfahrensschritte vorgesehen ist: • Rückführung des Ausgangssignals des Mischers (20) oder des Ausgangssignals der Periodendauer- oder Frequenzmessung (22) zu dem lokalen Opszillator (19), und • Anpassung der Frequenz des lokalen Oszillators (19) an die Frequenz des Ausgangssignals des LC- oder LR-Oszillators (18).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein programmierbarer Logikbaustein eines Mikrokontrollers ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (20) ein D-Flip-Flop ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung derart erfolgt, dass die Frequenz des Ausgangssignals des Mischers (20) so gering wie möglich ist, aber auch in einer dynamischen Situation stets positiv ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Oszillator (19) ein Timer eines Mikrokontrollers oder PLL des Mikrocontrollers ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels der Drehlage einer drehbar gelagerten Lenkwelle (3,31) eines Kraftfahrzeuges, wobei bei dem Verfahren die Drehlage der Drehung der Lenkwelle (3,31) mit einem induktiven Winkelsensor (15) gemessen wird, der die raumfest angeordnete Spule (16), die Teil des LC- oder LR-Schwingkreises (17) ist, aufweist, wobei die Spule (16) wenigstens eine sich mit der Lenkwelle (3,31) drehende, elektrisch leitende, um die Lenkwelle (3,31) erstreckende Spur abtastet, in dem eine Änderung einer Resonanzfrequenz des LC- oder LR-Schwingkreises (17) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17 detektiert wird.