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.