Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor, insbesondere ein Segmentsensor, mit einem Statorelement, welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule, sowie ein Empfangssystem aufweist, wobei das Signal der Erregerspule in das Empfangssystem induktiv einkoppelt, mit einem Rotorelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement beeinflusst und mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes relativ zum Statorelement aus den in das Empfangssystem induzierten Spannungssignalen.

Induktive Positionssensoren werden in modernen Kraftfahrzeugen in unterschiedlichsten Anwendungen mit einer Vielzahl von Randbedingungen eingesetzt. Insbesondere kommen induktive Positionssensoren dort zum Einsatz, wo eine Winkelstellung eines Rotors erfasst werden soll, um eine präzise Steuerung zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise an einer Lenksäule, einem Bremssystem oder einem Antrieb für Kraftfahrzeuge, besonders Elektro- und Hybridfahrzeuge, notwendig sein.

Bei bekannten induktiven Positionssensoren werden üblicherweise Systeme eingesetzt, die einen bestimmten Winkelbereich erfassen können. Dies ist für die meisten Einsatzgebiete ausreichend. Durch eine Einschränkung der Winkelerfassung auf einen bestimmten Bereich können Kosten gespart werden gegenüber einer Winkelerfassung über den gesamten möglichen Winkelbereich, beispielsweise bei einem voll-rotatorischen Sensor 360°. Diese Positionssensoren sind als Segmentsensoren aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Auslegung dieser Positionssensoren wurde bislang häufig die Erregerspule ähnlich groß ausgelegt wie das Empfangssystem, um eine möglichst kleine Bauform des induktiven Positionssensors zu erreichen. Dies kann insbesondere bei Segment- und Linearsensoren zu einem störenden Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale führen und die Winkelbestimmung beeinträchtigen. Soll der Einfluss der Erregerspule möglichst klein sein, bedeutet dies, dass die Erregerspule möglichst groß gegenüber dem Empfangssystem sein musste. Bei der Auslegung der Positionssensoren wurde bislang versucht in einer Mehrzahl von Auslegungsschritten ein Optimum zwischen einer Minimierung der Größe des Positionssensors und einer Minimierung des Einflusses der Erregerspule auf das Empfangssystem zu erreichen. Diese Auslegungsschritte kosten Zeit und Entwicklungsaufwand und erhöhen die Kosten. Ebenso ist durch die iterativen Auslegungsschritte nicht automatisch sicher, dass ein Optimum an Lösung gefunden wurde.

An diesem Punkt setzt die Erfindung an.

Der Erfindung lag das Problem zu Grunde die bekannten Positionssensoren, insbesondere Segmentsensoren so zu verbessern, dass der Fehler bei der Bestimmung des Winkels minimiert wird und gleichzeitig eine möglichst kleine Baugröße realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Positionssensor einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Winkelposition eindeutig bestimmbar ist, sich das Empfangssystem über einen ersten Winkelbereich erstreckt, wobei der erste Winkelbereich N ₁ = n * E mit n > 1 ist und sich die Erregerspule über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, wobei der zweite Winkelbereich N ₂ = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.

Als Eindeutigkeitsbereich wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors ein Winkel eindeutig bestimmt werden kann. Dieser Eindeutigkeitsbereich kann zwischen 0° und 360° liegen. Da Positionssensoren an unterschiedlichsten Stellen eingesetzt werden, kann der Eindeutigkeitsbereich, den der Sensor eindeutig erfassen muss, stark unterschiedlich sein. Der Eindeutigkeitsbereich ist aber und wird durch die Randbedingungen des Systems vorgegeben und kann als Eingangsgröße bei der Auslegung des Positionssensors genutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor ist es möglich, dass sich der Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale minimieren lässt, wenn der Winkelbereich über den sich die Erregerspule und das Empfangssystem erstrecken in Abhängigkeit des Eindeutigkeitsbereichs ausgelegt werden.

Mittels Simulation konnte gezeigt werden, dass eine Minimierung des Fehlers bei der Bestimmung des Winkels erreicht werden kann, wenn sich das Empfangssystem über einen ersten Winkelbereich erstreckt und die Erregerspule über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, die als Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs ausgeführt werden. Hierbei gilt, dass die Vielfachen positive ganze Zahlen sind und der zweite Winkelbereich größer ist als der erste Winkelbereich.

Es kann vorgesehen sein, dass m > n + 1, vorzugsweise m = n + 1 ist. Um eine Minimierung des Fehlers zu erreichen, kann der zweite Winkelbereich jedes Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs sein, der größer ist als der erste Winkelbereich. Dies würde aber dem Wunsch entgegenstehen, dass eine möglichst kompakte Bauform des Positionssensors realisiert werden soll. Es ist daher vorzugsweise eine Möglichkeit, dass der zweite Winkelbereich ein Vielfaches des Eindeutigkeitsbereichs ist, welches genau um 1 größer ist als das Vielfache mit dem der erste Winkelbereich ausgelegt wird. Die kleinsten Winkelbereiche, die diesen Anforderungen entsprechen, sind demnach, wenn der erste Winkelbereich mit dem Eindeutigkeitsbereich übereinstimmt, dies entspricht n = 1 und der zweite Winkelbereich dem doppelten Eindeutigkeitsbereich entspricht mit m = 2.

Ist eine höhere Signalstärke des in das Empfangssystem eingekoppelte Signal gewünscht, kann es vorgesehen sein, dass der erste Winkelbereich mit n = 2 ausgelegt wird. In diesem Fall wird die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem durch einen größeren Bereich des Rotorelementes beeinflusst, was die Beeinflussung verstärkt. Der kleinste mögliche zweite Winkelbereich wäre in diesem Fall, dass m = 3 gewählt wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Geometrie des Rotorelementes durch jeweils zwei Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien um einen Mittelpunkt beschrieben werden kann, wobei ein erster Radius einer ersten der beiden Kreisbahnen kleiner als ein zweiter Radius einer zweiten der beiden Kreisbahnen ist und ein Abschnitt einer Außenkontur abwechselnd und gleichmäßig auf der ersten oder der zweiten Kreisbahn verläuft und die Enden der Abschnitte durch eine radiale Verbindung zwischen den Kreisbahnen mit den jeweils benachbarten Abschnitten auf der jeweils anderen Kreisbahn verbunden sind.

Die sich hierdurch ergebende Geometrie des Rotorelementes entspricht der äußeren Kontur eines Rotors mit einer Anzahl an Flügeln und Lücken. Es kann daher vorgesehen sein, dass jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem zweiten Radius einen Flügel und jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem ersten Radius eine Lücke bildet. Durch die Geometrie des Rotorelementes kann der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors bestimmt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Eindeutigkeitsbereich E bestimmbar ist nach der Formel:

E _ = 360°

Unzahl der Flügel des Rotorelementes·

Die Anzahl der Flügel des Rotorelementes ist in vielen Fällen durch anderen Gegebenheiten eine festgelegte Größe und für die Auslegung des Positionssensors als bekannt anzusehen. Durch die angegebene Beziehung zwischen Anzahl der Flügel des Rotorelementes und dem Eindeutigkeitsbereich, kann bei einer bekannten Anzahl der Flügel der Eindeutigkeitsbereich direkt bestimmt werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass das erste Empfangssystem mindestens zwei, bevorzugt zwei oder drei erste Leiterschleifen aufweist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die ersten Leiterschleifen jeweils eine sich gleichmäßig wiederholende Schleifenstruktur ausbilden. Besonders vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass sich die Windungsrichtung der ersten Leiterschleifen der gleichmäßig wiederholenden Schleifenstruktur ändert, wobei durch die Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufgespannt wird. Durch die Änderung der Windungsrichtung ändert sich der Integrationsweg der von den ersten Leiterschleifen periodisch aufgespannten Flächen. Das von dem ersten Rotorelement in das erste Empfangssystem eingekoppelte Magnetfeld führt zu einer Signalspannungsamplitude an der Leiterschleife die proportional dem Ausdruck / B _r dA ist, wobei B _r die vom Rotorelement hervorgerufene Magnetfeldstärke in der ersten Leiterschleife und A die von der ersten Leiterschleife aufgespannte Fläche ist.

Es kann vorgesehen sein, dass das Statorelement und die Auswerteschaltung auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Auswerteschaltung innerhalb der Erregerspule und außerhalb der Leiterschleifen des Empfangssystems angeordnet ist. Eine Anordnung wie beschrieben bietet den Vorteil, dass die Zuleitungen von Erregerspule und Empfangssystem sich nicht kreuzen, wie es bei einer Anordnung der Auswerteeinheit außerhalb der Erregerspule der Fall wäre. Hierdurch wird eine weitere Beeinflussung des in das Empfangssystem eingekoppelten Signals vermieden. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass ungenutzter Platz auf der Leiterplatte genutzt wird, was zu einer kompakten Bauform des induktiven Positionssensors beiträgt.

Um die Redundanz des Systems zu erhöhen kann es vorgesehen sein, dass auf der Leiterplatte ein zweites Empfangssystem und/oder eine zweite Auswerteschaltung angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass das Signal der Erregerspule in das erste und das zweite Empfangssystem induktiv einkoppelt. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass auf der Leiterplatte eine zweite Erregerspule angeordnet ist.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem und dessen erfindungsgemäßen Lösung wurden bislang am Beispiel eines Segmentsensors mit einem Rotorelement als induktives Koppelelement erläutert. Die Problemstellung und die Lösung sind für den Linearwegsensor jedoch vollständig analog. Linearsensoren kommen in modernen Kraftfahrzeugen dort zum Einsatz, wo eine Längenposition eines Koppelelementes erfasst werden soll, um eine präzise Steuerung zu ermöglichen.

Es kann vorgesehen sein, dass der induktive Positionssensor, insbesondere ein Linearsensor ist,

- mit einem Statorelement, welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule, sowie ein Empfangssystem aufweist, wobei das Signal der Erregerspule in das Empfangssystem induktiv einkoppelt,

- mit einem Koppelelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem in Abhängigkeit seiner Linearposition relativ zum Statorelement beeinflusst,

- mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Linearposition des Koppelelementes relativ zum Statorelement aus den in das Empfangssystem induzierten Spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Positionssensor einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Längenposition eindeutig bestimmbar ist,

- sich das Empfangssystem über einen ersten Längenbereich erstreckt, wobei der erste Längenbereich L ₁ = n * E mit n > 1 ist,

- sich die Erregerspule über einen zweiten Längenbereich erstreckt, wobei der zweite Längenbereich L ₂ = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.

Als Eindeutigkeitsbereich wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors eine Längenposition eindeutig bestimmt werden kann. Dieser Eindeutigkeitsbereich kann theoretisch zwischen 0 mm und ⁰⁰ liegen, ist aber naturgemäß durch die Abmessungen des Linearsensors begrenzt. Da Positionssensoren an unterschiedlichsten Stellen eingesetzt werden, kann der Eindeutigkeitsbereich, den der Sensor eindeutig erfassen muss, stark unterschiedlich sein. Der Eindeutigkeitsbereich ist aber und wird durch die Randbedingungen des Systems vorgegeben und kann als Eingangsgröße bei der Auslegung des Positionssensors genutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor ist es möglich, dass sich der Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale minimieren lässt, wenn der Längenbereich über den sich die Erregerspule und das Empfangssystem erstrecken in Abhängigkeit des Eindeutigkeitsbereichs ausgelegt werden.

Analog zu den Simulationsergebnissen wird vermutet, dass eine Minimierung des Fehlers bei der Bestimmung der Längenposition erreicht werden kann, wenn sich das Empfangssystem über einen ersten Längenbereich erstreckt und die Erregerspule über einen zweiten Längenbereich erstreckt, die als Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs ausgeführt werden. Hierbei gilt, dass die Vielfachen positive ganze Zahlen sind und der zweite Längenbereich größer ist als der erste Längenbereich.

Es kann vorgesehen sein, dass m > n + 1, vorzugsweise m = n + 1 ist. Um eine Minimierung des Fehlers zu erreichen, kann der zweite Längenbereich jedes Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs sein, der größer ist als der erste Längenbereich. Dies würde aber dem Wunsch entgegenstehen, dass eine möglichst kompakte Bauform des Positionssensors realisiert werden soll. Es ist daher vorzugsweise eine Möglichkeit, dass der zweite Längenbereich ein Vielfaches des Eindeutigkeitsbereichs ist, welches genau um 1 größer ist als das Vielfache mit dem der erste Längenbereich ausgelegt wird. Die kleinsten Längenbereiche, die diesen Anforderungen entsprechen, sind demnach, wenn der erste Längenbereich mit dem Eindeutigkeitsbereich übereinstimmt, dies entspricht n = 1 und der zweite Längenbereich dem doppelten Eindeutigkeitsbereich entspricht mit m = 2.

Ist eine höhere Signalstärke des in das Empfangssystem eingekoppelte Signal gewünscht, kann es vorgesehen sein, dass der erste Längenbereich mit n = 2 ausgelegt wird. In diesem Fall wird die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem durch einen größeren Bereich des Koppelelementes beeinflusst, was die Beeinflussung verstärkt. Der kleinste mögliche zweite Längenbereich wäre in diesem Fall, dass m = 3 gewählt wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Form des Koppelelementes rechteckartig oder rechteckig ist, beispielsweise ein Metallstreifen mit regelmäßig verteilten Ausstanzungen. Die Bereiche des Metallstreifens, die mit Material gefüllt bleiben, können als Cursor bezeichnet werden, ähnlich den Flügeln bei einem rotorförmigen Koppelelement.

Mittels der sich hierdurch ergebenden Geometrie des Koppelelementes kann der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors bestimmt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Eindeutigkeitsbereich E bestimmbar ist als Summe einer der regelmäßig verteilten Ausstanzungen und einem Cursor.

Es besteht die Möglichkeit, dass das erste Empfangssystem mindestens zwei, bevorzugt zwei oder drei erste Leiterschleifen aufweist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die ersten Leiterschleifen jeweils eine sich gleichmäßig wiederholende Schleifenstruktur ausbilden. Besonders vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass sich die Windungsrichtung der ersten Leiterschleifen der gleichmäßig wiederholenden Schleifenstruktur ändert, wobei durch die Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufgespannt wird. Durch die Änderung der Windungsrichtung ändert sich der Integrationsweg der von den ersten Leiterschleifen periodisch aufgespannten Flächen. Das von dem ersten Koppelelement in das erste Empfangssystem eingekoppelte Magnetfeld führt zu einer Signalspannungsamplitude an der Leiterschleife die proportional dem Ausdruck / B _t dA ist, wobei B _t die vom Koppelelement hervorgerufene Magnetfeldstärke in der ersten Leiterschleife und A die von der ersten Leiterschleife aufgespannte Fläche ist.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines induktiven Positionssensors Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Statorelementes Fig. 3 graphische Darstellung des Fehlers bei der Bestimmung des Winkels für unterschiedliche Verhältnisse des Empfangssystems zu der Erregerspule

Ein induktiver Positionssensor 1 , der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst eine Leiterplatte 9 auf der ein Statorelement 2 angeordnet ist.

Weiterhin umfasst der induktive Positionssensor 1 ein Rotorelement 5. Das Rotorelement 5 ist relativ zur Leiterplatte 9 drehbar angeordnet. Erkennbar sind die Abschnitte am äußeren Radius des Rotorelementes 5. Diese können als Flügel 7 angenommen werden. Die Abschnitte am inneren Radius des Rotorelementes 5 können als Lücke 8 angenommen werden. Hierbei definieren jeweils ein Flügel 8 und eine Lücke 9 den Eindeutigkeitsbereich E des Positionssensors 1. Als Eindeutigkeitsbereich E wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors 1 ein Winkel eindeutig bestimmt werden kann. Berechenbar ist der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors nach der Formel

^E = ³⁶⁰ Unzahl der Flügel des Rotorelementes 5

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Statorelementes 2 aus Fig. 1. Das Statorelement, welches eine Erregerspule 3 sowie ein Empfangssystem 4 umfasst, ist auf der dem Rotorelement 5 zugewandten Seite der Leiterplatte 9 angeordnet. Die Leiterplatte 9 wird in ihrer tatsächlichen Formgebung der Form des Statorelementes 2 angepasst werden. Das Empfangssystem 4 umfasst zwei erste Leiterschleifen 4a, 4b. Die ersten Leiterschleifen 4a, 4b bilden eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aus, welche durch eine Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufspannen.

Der induktive Positionssensor 1 weist eine hier nicht explizit dargestellte Oszillatorschaltung auf, die während des Betriebs des induktiven Positionssensors 1 ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt, mit dem die erste Erregerspule 3 gespeist wird. Das Rotorelement 5 beeinflusst bei seiner Verdrehung die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule 3 und dem Empfangssystem 4.

Durch die Beeinflussung der Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule 3 und Empfangssystem 4 durch das Rotorelement 5 in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zu dem Statorelement 2, kann der Winkel zwischen Rotorelement 5 und Empfangssystem 4 bestimmt werden. Dieser Winkel ist für viele Anwendungen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug von immer größer werdender Bedeutung. Um den Winkel innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs E des Sensors bestimmen zu können, muss sich die Erregerspule 3 und das Empfangssystem 4 mindestens über diesen Winkelbereich des Sensors 1 erstrecken. Durch die Endbereiche der Erregerspule 3 kommt es zu einer Beeinflussung der Erregerspule 3 auf die in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signale. Diese Beeinflussung ist unerwünscht, da es damit zu einem Fehler bei der Bestimmung des Winkels kommen kann. Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit das Verhältnis von Erregerspule 3 und Empfangssystem 4 optimal auszulegen und den Fehler zu minimieren. Flierzu ist es möglich, dass sowohl Erregerspule 3 als auch Empfangssystem 4 um ein ganzzahliges Vielfaches größer sind als der Eindeutigkeitsbereich E. Für das Empfangssystem 4 gilt, dass das Vielfache auch 1 sein kann, womit das Empfangssystem 4 genauso groß wäre, wie der Eindeutigkeitsbereich E. Weiterhin ist eine Voraussetzung, dass die Erregerspule 3 immer größer sein muss als das Empfangssystem 4. Im vorliegenden Fall entspricht der Winkelbereich, über den sich das Empfangssystem 4 erstreckt dem Eindeutigkeitsbereich E und der Winkelbereich, über den sich die Erregerspule 3 erstreckt ist um den Faktor 2 größer.

Der induktive Positionssensor 1 weist weiterhin eine Auswerteschaltung 6 zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes 5 relativ zum Statorelement 2 aus den in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signalen auf. Die Auswerteschaltung 6 ist innerhalb der Erregerspule 3 und außerhalb den Leiterschleifen 4a, 4b des Empfangssystems 4 angeordnet. Eine derartige Anordnung bietet den Vorteil, dass ungenutzter Platz auf der Leiterplatte 9 optimal genutzt werden kann. Liegt die Auswerteschaltung 6 außerhalb der Erregerspule 3 ist die benötigte Größe der Leiterplatte 9 größer, was die Kosten für diese erhöht.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des zu erwartenden Fehlers bei der Bestimmung des Winkels durch den Einfluss der Erregerspule 3 auf die in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signale, für unterschiedliche Größen der Erregerspule 3. Aufgetragen ist hier der prozentuale Fehler des Sensors gegen den bestimmten Winkel des induktiven Positionssensors. Das Empfangssystem 4 ist in diesem Fall genauso groß wie der Eindeutigkeitsbereich E des Sensors. Die Darstellung zeigt eine Simulation des zu erwartenden Fehlers. Es ist erkennbar, dass der Fehler für ganzzahlige Werte von m minimal wird. Die Graphik zeigt die Minima für m= 2 und m = 3. Es ist eine Weiterführung der Graphik möglich, die für alle ganzzahligen m ein Minimum zeigt. Aus der Graphik folgt, dass der Fehler bei der Bestimmung des Winkels, der durch den Einfluss der Erregerspule 3 auf das in das Empfangssystem 4 eingekoppelte Signal entsteht, durch die Auslegung der Erregerspule 3 und des Empfangssystems 4 im Verhältnis zum Eindeutigkeitsbereich E des Sensors minimiert werden kann. Ganz besonders vorteilhaft an dieser mathematischen Beziehung ist die Tatsache, dass bei bekanntem Eindeutigkeitsbereich E des Sensors, welcher durch die Geometrie des Rotorelementes 5 festgelegt ist, sofort die Auslegung der Erregerspule 3 und des Empfangssystems 4 erfolgen kann. Dies kann den Entwicklungsaufwand vermindern und optimale Ergebnisse sichern.

Bezugszeichenliste

1 induktiver Positionssensor

2 Statorelement

3 Erregerspule

4 Empfangssystem 4a, 4b erste Leiterschleifen

5 Rotorelement

6 Auswerteeinheit

7 Flügel

8 Lücke

9 Leiterplatte

E Eindeutigkeitsbereich des Sensors