DE102006026543B4

DE102006026543B4 - Lagegeber und zugehöriges Verfahren zum Erfassen einer Position eines Läufers einer Maschine

Info

Publication number: DE102006026543B4
Application number: DE102006026543A
Authority: DE
Inventors: Franz Straubinger; Josef Bartl
Original assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Current assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2026-06-08
Also published as: WO2007141021A3; US20100156402A1; CN101501454B; RU2011120135A; RU2015132476A; JP2009540277A; JP2007327940A; JP5360720B2; RU2620908C2; DE102006026543A1; RU2008148852A; US8421446B2; WO2007140842A1; WO2007141021A2; CN101501454A

Abstract

System zum Erfassen einer Lage eines Läufers (2) einer Maschine, mit einer Geberstruktur (3), die an dem Läufer (2) angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung (4), die der Geberstruktur (3) gegenüber ist und wenigstens ein Sensorsignal (9) zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist, wobei die Sensoranordnung (4) eine erste induktive Komponente in Form einer planaren Spule aufweist, und die Geberstruktur (3) ausgebildet ist, eine bewegungsabhängige Änderung einer Induktivität der induktiven Komponente hervorzurufen, wobei der Sensoranordnung (4) eine Schaltung (8) nachgeordnet ist, die das Sensorsignal (9) in ein die Winkelinformation beinhaltendes Signal (10) am Schaltungsausgang (11) umwandelt, und wobei die Schaltung ein erstes Modul aufweist, das ein Sinussignal (sin) und ein Kosinussignal (cos) erzeugt und die Schaltung (8) ein Rechenmodul (13) aufweist, das aus dem Sinussignal (sin) und dem Kosinussignal (cos) eine Arcustangensfunktion berechnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Lage eines Läufers, etwa eines Rotors einer Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine, mit einer Geberstruktur, die an dem Läufer angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung, die der Geberstruktur gegenüber ist und die wenigstens ein Sensorsignal zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Gattung ist aus der Druckschrift WO 02/084849 A1 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Anordnung besitzt einen an dem Rotor angebrachten Ring, der einzelne Segmente aufweist, die abwechselnd magnetisierbar sind. Den magnetisierbaren Ringelementen gegenüber sind drehfest aufgenommene Magnetsensorelemente vorgesehen. Der Induktionsverlauf in den einzelnen Segmenten des magnetisierbaren Sensorringes bewirkt eine Wechselummagnetisierung an den Sensorelementen, wobei um einen elektrischen Winkel verschobene Signalkurven der Sensorelemente erzeugt werden, aus welchen sich analoge Signale errechnen lassen, mit denen eine Beschreibung der Winkellage des Rotors möglich ist.
Da der bekannte Sensor auf einem magnetischen Messprinzip beruht, ist er entsprechend empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern. Dies ist insbesondere dann ein Nachteil, wenn der Sensor beispielsweise im Automobilbereich eingesetzt werden soll, wo er harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und hohe Motorströme bis 1.000 Ampere auftreten.
Auch in den Druckschriften DE 198 16 568 , DE 198 17 356 , DE 43 11 267 , US 6 181 036 und US 5 920 134 sind Lagegeber beschrieben, die nach dem magnetischen Prinzip funktionieren und somit unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen gegebenenfalls unter einer erhöhten Störanfälligkeit leiden.
in den Dokumenten DE 40 26 749 und EP 0 144 903 werden zwar teilweise Sensoren auf Induktivitäten beruhende Sensoren beschrieben, die jedoch keine Planarspulen ohne Eisenkern aufweisen, so dass dennoch eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern auftreten kann. Auch besitzen alle Systeme in den genannten Dokumenten keine effiziente und störsichere Signalverarbeitung.
In der Druckschrift DE 10 2004 033 085 wird im Zusammenhang mit einem Lagegeber eine Integratorauswerteeinheit für Wirbelstromsensoren beschrieben, wobei der Integrator aus dem Spulensignal ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Gradient von der Induktivität abhängt.
In der DE 37 29 230 ist eine Messvorrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels oder eines Drehmoments gezeigt, wobei jedoch keinerlei technische Lehre über kernlose Spulen noch über eine besonders störunanfällige Auswertung des Sensorsignals Bezug genommen wird.
Die DE 29 51 148 beschreibt eine ähnliche Messeinrichtung, in der Koaxialspulen als Brücken verschaltet sind. Eine besonders robuste Aufbereitung des Sensorsignals ist auch hier nicht beschrieben.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Erfassen der Lage eines Läufers, etwa eines Rotors und ein zugehöriges Messverfahren zur Verfügung zu stellen, welche weniger empfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Störfeldern sind.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 bzw. 22 gelöst.
Wenn die Geberstruktur relativ zur Sensoranordnung bewegt wird, aufgrund einer Bewegung des Läufers, der in speziellen Ausführungsformen den Rotor einer elektrischen Maschine repräsentiert, ändern sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur das Verhalten der wenigstens einen Induktivität der Sensoranordnung, so dass bei geeigneter Ansteuerung der Sensoranordnung die Amplitude und/oder Phase und/oder Frequenz des Ausgangssignals entsprechend geändert werden. Somit können im erfindungsgemäßen System, im Gegensatz zu der bekannten Technik, die Wirbelstromverluste der Geberstruktur, wenn diese zumindest teilweise aus einem leitenden Material aufgebaut ist, zur Beeinflussung des Sensorsignals der Sensoranordnung ausgenutzt werden, so dass das ver wendete System gegenüber bekannten magnetischen Messverfahren wesentlich störfester im Hinblick auf elektromagnetische Einflüsse ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Geberstruktur eine sich periodisch winkelabhängig verändernde Struktur auf. Auf diese Weise kann die Sensoranordnung ein sich periodisch veränderliches Signal ausgeben, aus welchem leicht die Winkellage erkennbar ist.
Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die sich verändernde Struktur sinusförmig ist. Entsprechend wird die Sensoranordnung in Nachbildung der Sinusspur der Geberstruktur bedämpft, wodurch die Position der Geberstruktur besonders günstig ausgewertet werden kann. In anderen Ausführungsformen werden anderer „Dämpfungsmuster” durch die Geberstruktur nachgebildet, etwa eine Dreiecksstruktur, eine zumindest teilweise rechteckförmig ausgebildete Struktur, etc. Generell können andere Formen verwendet werden, die eine eindeutige Zuordnung einer durch die Induktivitätsänderung hervorgerufenen Signaländerung und der Lage des Läufers ermöglicht.
Die Geberstruktur kann vorzugsweise auf einem Ring radial innen oder außen an dem Rotor vorgesehen sein. Bei dieser Anordnung kann sich die Periode der Winkelerfassung im Verlauf einer mechanischen Umdrehung des Rotors, im Falle einer Maschine mit Rotor, immer wieder wiederholen. Ist die Geberstruktur innen an dem Rotor befestigt, ist es sinnvoll, die Sensoranordnung innen gegenüber der Geberstruktur anzuordnen. Umgekehrt wird sich die Sensoranordnung typischerweise außerhalb des Rotors befinden, wenn die Geberstruktur außen an dem Rotor angeordnet ist.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Geberstruktur axial an dem Rotor vorzusehen. Entsprechend kann dann eine Sensoranordnung beliebiger Bauform axial zum Rotor angeordnet werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens ein Sensorsystem mit zwei Resonanzkreisen auf, die von einer Wechselspannungsquelle gespeist werden und die induktive Komponenten aufweisen, die in einem Zustand mit Bedämpfung oder Beeinflussung der Induktivität durch die Geberstruktur eine Positionsinformation enthaltende Ausgangssignale besitzen. Von den Resonanzkreisen ist eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudendifferenz abgreifbar, welche sich in Abhängigkeit von der Position der Geberstruktur ändert. Dabei ist die Genauigkeit des Sensorsystems von den Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle und den Bauteilen der Resonanzkreise bestimmt, wodurch bei entsprechender Qualität der Bauteile eine gute Funktionalität des Systems bereitgestellt werden kann. Die Resonanzkreise können als Reihenschwingkreise oder als Parallelschwingkreise vorgesehen werden.
In anderen Ausführungsformen werden induktive Komponenten der Sensoranordnung als Komponenten zugehöriger Oszillatoren verwendet und der Frequenzunterschied der Oszillatoren, der durch die Induktivitätsänderung entsteht, wird ausgewertet, um die gewünschte Positionsinformation zu erhalten.
In einem besonders günstigen Beispiel der Erfindung weist die Sensoranordnung wenigstens zwei gleiche, zueinander mechanisch versetzte Sensorsysteme der oben beschriebenen Art auf. Durch die zueinander mechanisch versetzten Sensorsysteme können zueinander zeitlich versetzte Signale gleicher Form entsprechend unterschiedlicher Positionen der Geberstruktur generiert werden, welche dazu dienen, die Absolutposition der Geberstruktur genau festzustellen.
Entsprechend einer günstigen Variante der Erfindung sind die Sensorsysteme der Sensoranordnung räumlich nahe zueinander angeordnet. Hiermit kann ein Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Rotors und der daran befindlichen Geberstruktur über eine möglichst gleiche Änderung der Sensorausgangssignale eliminiert werden.
Es ist in einigen Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die Schaltung symmetrische Kanäle zum Abgreifen und Verarbeiten von Sensorsignalen der Sensoranordnung aufweist. Wenn die von der Sensoranordnung ausgegebenen Signale in ihrer Form gleich sind, kann durch die symmetrische Anordnung der Schaltungskanäle eine gleiche Verarbeitung der Sensorsignale gewährleistet werden. Damit können die verarbeiteten Sensorsignale zu einem hochgenauen Ausgangssignal verarbeitet werden.
In einigen Ausführungsformen sind die Sensorsysteme zueinander versetzt, insbesondere um 90°, angeordnet. Dadurch kann beispielsweise bei entsprechender Ausbildung der Geberanordnung das Sinus- und ein Kosinussignal generiert werden.
Günstigerweise liegt die Frequenz der Wechselspannungsquelle, die zur Schwingungserzeugung in der Sensoranordnung eingesetzt wird, zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz. In diesem Bereich kann die Sensoranordnung besonders gut durch die Wirbelstromverluste der Geberstruktur beeinflusst werden.
Die Resonanzkreise sind in einigen Ausführungsformen auf die Frequenz der Wechselspannungsquelle abgestimmt sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Resonanzkreise im Hinblick auf Fertigungstoleranzen abgleichen lassen, um eine hohe Auswerteempfindlichkeit erreicht werden, wobei die Betriebsfrequenz an eine geeignete Position in der Nähe der Resonanzfrequenzen für die bedämpfte Sensoranordnung gelegt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Phasendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
Dadurch kann eine effiziente Auswertung, beispielsweise auf der Grundlage von Resonanzkreisen in der Sensoranordnung, erfolgen, wobei die ortsabhängigen Wirbelstromverluste in der Geberanordnung präzise ausgewertet werden können. Dazu kann die Auswertung auf der Grundlage eines analogen Signals mit entsprechenden Phasendifferenzen bewerkstelligt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Amplitudendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Änderung der Induktivität durch eine Frequenzdifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst.
In diesen Ausführungsformen können bewährte Signalverarbeitungseinrichtungen, beispielsweise Mikrocontroller oder Mikroprozessoren eingesetzt werden, so dass sich ein hohes Maß an Gestaltungsflexibilität ergibt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen dargelegt. Ferner werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung beschrieben, in welchen
1a bis 1e Beispiele für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, in denen Reihenresonanzkreise, Parallelresonanzkreise und Oszillatoren mit angekoppelten Induktivitäten vorgesehen sind, um eine durch eine Geberstruktur hervorgerufene Induktivitätsänderung zu erfassen;
2 schematisch die Anordnung der Sensorspulen in Relation zu der Geberstruktur und die sich daraus ergebenden Sensorsignale gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3a bis 3c schematisch die Funktion von Schaltungen zeigen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um eine Phasendifferenz, eine Amplitudendifferenz bzw. eine Frequenzdifferenz auszuwerten;
4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schaltung von 3a zeigt; und
5 schematisch zeigt, wie in der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann.
1a bis 1e zeigen die Grundstruktur eines Sensorsystems 5, das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Anwendung findet.
Das Sensorsystem 5 ist ein induktiver Positionssensor, der in der Ausführungsform der 1a im wesentlichen aus zwei Reihenresonanzkreisen 6a, 6b aufgebaut ist, die parallel zueinander angeordnet sind. Jeder der Reihenresonanzkreise 6a, 6b weist eine Spule bzw. Induktivität L1 bzw. L2, einen Widerstand R1 bzw. R2 und eine Kapazität C1 bzw. C2 auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind.
Die Induktivitäten L1, L2 sind vorzugsweise in planarer Form ausgeführt. Die Kapazitäten C1, C2 sind in der dargestellten Ausführungsform als diskrete Bauteile ausgebildet.
Die beiden Resonanzkreise 6a, 6b werden von einer Wechselspannungsquelle V gespeist, die parallel zu den beiden Reihenresonanzkreisen geschaltet ist. Die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V liegt typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz.
Die Reihenresonanzkreise 6a, 6b sind auf die Frequenz f der Wechselspannungsquelle V abgestimmt und befinden sich im Ruhezustand, das heißt ohne Bedämpfung, in der Nähe der Resonanzfrequenz. Hierdurch kann eine hohe Empfindlichkeit der Reihenresonanzkreise 6a, 6b erzielt werden, wobei durch Wahl der Arbeitsfrequenz eine gewisse Toleranz des Abstandes zwischen der Geberstruktur und den induktiven Komponenten L1, L2 ausgeglichen werden kann, wie dies nachfolgend mit Bezug zu 5 beschrieben ist. Die Genauigkeit dieser Abstimmung wird dabei von dem Bauteiltoleranzen der Wechselspannungsquelle V und den Bauteilen L, R, C der Reihenresonanzkreise 6a, 6b bestimmt. Je geringer diese Toleranzen sind, umso besser ist die Funktionalität des Sensorsystems 5.
Gelangt eine bewegte leitende Struktur in das Magnetfeld der Induktivitäten L1, L2, wird durch die auftretenden Wirbelströme eine Phasendifferenz zwischen den beiden Resonanzkreisen 6a, 6b erzeugt. Diese Phasendifferenz ist im wesentlichen von einer Geberstruktur, welche unten näher beschrieben ist, und von der Güte der Resonanzkreise 6a, 6b abhängig. Maximal kann eine Phasendifferenz von ±90°, also ein dphi von 180° auftreten.
In 1b ist eine Ausführungsform dargestellt, in denen die Schwingkreise 6a, 6b Parallelschwingkreise bilden und das Signal an einem entsprechenden Knoten zwischen den Widerständen R1 bzw. R2 und den zugehörigen Parallelresonanzkreisen abgegriffen wird. Auch in diesem Fall lässt sich eine von der durch eine Geberstruktur hervorgerufenen Induktivitätsänderung abhängige Phasendifferenz gewinnen.
In 1c ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der die Resonanzkreise 6a, 6b als Reihenschwingkreise vorgesehen sind, wobei die Differenz der Spitzenspannung dUss der beiden Kreise, also die Differenz der Amplitude, als Maß für die Induktivitätsänderung und damit als Positionsinformation gewonnen wird.
1d zeigt eine Ausführungsform, in der die Schwingkreise 6a, 6b als Parallelkreise zum Ermitteln einer Amplitudendifferenz vorgesehen sind.
1e zeigt eine Ausführungsform, in der die induktiven Komponenten L1 und L2 mit entsprechenden Oszillatoren Os1 und Os2 gekoppelt sind und damit Teil der entsprechenden Oszillatoren sind, um das Schwingungsverhalten in Abhängigkeit der Induktivitätsänderung durch eine Frequenzdifferenz df zu erfassen.
2 zeigt schematisch die Anordnung einer Geberstruktur 3 in Relation zu einer Sensoranordnung 4, die in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Sensorsystem 5a mit den Induktivitäten L1, L2 des in 1 dargestellten Sensorsystems 5 in Kombination mit einem zweiten Sensorsystem 5b mit Induktivitäten L3, L4, das ebenfalls einen Aufbau gemäß der 1 aufweisen kann, umfasst, eine signalverarbeitende Schaltung 8 und die daraus resultierenden Spannungssignale U in Abhängigkeit von der Zeit t gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Geberstruktur 3 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform auf der Oberfläche eines Zylinderrings 7 an einem Läufer, in einer Ausführungsform an dem Rotor 2 einer elektrischen Maschine 1 angebracht und mit diesem bewegbar. In einer Ausführungsform repräsentiert die elektrische Maschine 1 eine permanentmagnetisch erregte Maschine, in der das Winkelsignal zur elektrischen Kommutierung verwendet wird. Die Geberstruktur 3 kann jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch radial innen an dem Rotor 2 vorgesehen sein. Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung ist es auch möglich, die Geberstruktur 3 axial an dem Rotor 2 vorzusehen.
Die Geberstruktur 3 ist in der dargestellten Ausführungsform sinusförmig auf dem Ring 7 radial außen an dem Rotor 2 angebracht. Die angewendete Sinusform ist vorteilhaft, da durch diese Geometrie die Geberstruktur 3 in der Lage ist, eine Bedämpfungsfläche in Form einer Sinusspur auszubilden, womit wiederum das von dem Sensorsystem 5 erfasste Sensorsignal 9 sinusartig beeinflussbar ist und damit leicht auswertbar ist.
Grundsätzlich können jedoch auch andere sich winkelabhängig verändernde Strukturen für die Geberstruktur 3 verwendet werden. Diese können periodisch sein, müssen es jedoch nicht. Beispielsweise kann die Geberstruktur sich wiederholende Dreieckstrukturen aufweisen. Auch andere Formen, die eine positionsabhängige Induktivitätsänderung ergeben, etwa rechteckförmige Strukturen, etc. können eingesetzt werden.
Die Geberstruktur 3 kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Kupfer, einer Leiterplatte, leitenden Folien oder metallisiertem Kunststoff ausgebildet sein. Sie muss lediglich leitfähig sein bzw. einen leitfähigen Bestandteil aufweisen. Sie muss nicht magnetisch sein.
Der Geberstruktur 3 gegenüber sind die Sensorspulen L1, L2 beispielsweise in Form der Resonanzkreise 6a, 6b des ersten Sensorsystems 5a angeordnet, und dazu um 90° versetzt sind die Sensorspulen L3, L4 des Sensorsystems 5b angeordnet. Die Sensorinduktivitäten L1, L2 und L3, L4 sind so vor der Geberstruktur 3 angeordnet, dass jedes Paar einen Winkelabstand von 180° bildet, so dass ein Differenzsignal für jedes Paar der Sensorsysteme 5a, 5b erzeugt wird. Diese Differenzsignale enthalten jeweils die Position des Läufers oder Rotors 2. Aufgrund der beiden Sensorsysteme 5a, 5b ergeben sich zwei um 90° verschobene Differenzsignale, beispielsweise ein Sinussignal und ein Cosinussignal, abhängig von der Form der Geberstruktur 3. Aus den beiden Differenzsignalen kann dann auch die Absolutposition, d. h., auch die Richtung der Bewegung, der Geberstruktur 3 ermittelt werden.
Im Anschluss an die Sensorsysteme 5 mit den Spulen L1, L2 und L3, L4 ist die Schaltung 8 vorgesehen, die die Auswertung der Differenzsignale vornimmt. In der gezeigten Ausführungsform erzeugt die Schaltung 8 zunächst die Ausgangssignale 10.
3a zeigt schematisch die Funktion einer Ausführungsform der in der vorliegenden Erfindung angewendeten Schaltung 8. Die Schaltung 8 in dieser Ausführungsform ist ein ASIC (application specified integrated circuit), das heißt ein anwenderspezifischer Schaltkreis, der im einzelnen in 4 dargestellt ist. Die Schaltung 8 hat die Funktion, aus der Phasendifferenz 9, die auch als dphi bezeichnet ist, der Resonanzkreise 6a, 6b des ersten und zweiten Sensorsystems 5a, 5b am Schaltungseingang eine Analogspannung V(dphi) 10 am Schaltungsausgang 11 zu erzeugen. Wie in 2 und 3a gezeigt, weist die Spannung 10 am Schaltungsausgang 11 ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos auf.
In 3b sind die Differenzsignale 9 der Sensorsysteme 5a, 5b als dUss bezeichnet, die in einer ersten Stufe 8a zu entsprechenden Amplitudendifferenzsignale umgewandelt werden und dann einer zweiten Auswertestufe 8b, die beispielsweise als Mikrorechner oder ähnlichem vorgesehen sein kann, zugeleitet sind, um daraus die gewünschte Positionsinformation zu ermitteln.
3c zeigt eine weitere Ausführungsform, in der die Differenzsignale 9 als Frequenzdifferenzen df erhalten werden, beispielsweise auf der Grundlage einer Anordnung der Sensorsysteme 5a, 5b, wie sie in 1e gezeigt ist. Die Differenzsignale 9 können wieder einer Auswerteschaltung 8, etwa einem Mikrorechner oder dergleichen, zugeführt werden. Bei Verwendung eines Mikrorechner können eventuell vorhandene interne Ressourcen, etwa ein ADC, und dergleichen verwendet werden, um eine Verarbeitung der Signale 9 zu ermöglichen. Es können auch spezielle Komponenten eingesetzt werden, die je nach Anwendung in einer oder mehreren integrierten Schaltungen enthalten sein können.
4 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltung 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend der Signalverarbeitung der 3a. Es ist zu beachten, dass die in 4 gepunkteten Bereiche externe Komponenten sind und nicht zu der Schaltung 8 gehören.
Wie oben beschrieben, wird mit Hilfe der Sensorsysteme 5a, 5b die Phasenlage der an dem Rotor 2 angebrachten Geberstruktur 3 sowie deren Vorzeichen ermittelt. Die Sensorsysteme 5, die in 4 links, gepunktet dargestellt sind, geben die Sensorsignale 9 in der gezeigten Ausführungsform mit entsprechenden Phasendifferenzen dphi aus, die von der Schaltung 8 am Schaltungseingang 14 abgegriffen werden. Mit den Modulen 15 werden die abgegriffenen Sensorsignale 9 verstärkt und gefiltert. Daraufhin wandeln Komparatoren 16 die verstärkten und gefilterten Analogsignale in digitale Signale um, indem die Eingangsspannungen mit einer Referenzspannung V_ref verglichen werden, wobei jeweils nur ein High- und ein Low-Pegel erzeugt wird. Entsteht bei diesem Vorgang eine Amplitude von Null, wird diese nicht weiterbehandelt sondern von dem ZAP (Zero-Amplitude-Phase)-Glied 17 separat behandelt.
Die erzeugten digitalen Signale werden im folgenden über Exklusiv-Oder-Glieder 18 geleitet, welche Rechtecksignale mit großem Oberwellengehalt erzeugen. Die Ausgangssignale der Exklusiv-Oder-Glieder 18 werden dann über Tiefpassfilter 19 geleitet. Die Ausgangssignale der Tiefpassfilter 19 werden an Pufferstufen 20 ausgegeben, welche zudem ein Spannungssignal V_cc von 5 V ± 10% von dem Spannungsregler 21 erhalten. Im Ergebnis der Pufferstufen 20 werden ein Sinussignal sin und ein Kosinussignal cos als Analogspannung 10 am Schaltungsausgang 11 ausgegeben.
Wie in 4 zu sehen, werden die von den Sensorsystemen 5 ausgegebenen Signale dphi in zwei symmetrischen Kanälen 12 verarbeitet. Dabei weist jeweils ein Kanal Verstärker und Filter 15 für jeweils beide Resonanzkreise 6a, 6b, zwei Komparatoren 16 für die Ausgangssignale der Verstärker und Filter 15, ein Exklusiv-Oder-Glied 18 zum Zusammenführen der Signale der Komparatoren 16, einen Tiefpassfilter 19 für das Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes 18 und eine Pufferstufe 20 für die Ausgabe der Analogspannungssignale bzw. der Sinus- und Kosinussignale 10 auf.
Um ein genaues Messsystem für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen zur Verfügung zu stellen, wird die Temperaturstabilität der Schaltung 8 sehr effizient ausgelegt und die EMV-Empfindlichkeit der Schaltung 8 wird klein gehalten. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Ausgangsspannungen 10 entsprechend der Phasenposition im Hinblick auf mögliche Offsetstreuungen sehr genau sind.
Im Anschluss an die Schaltung 8 ist ein Rechenmodul 13 vorgesehen, das das Sinussignal sin und das Kosinussignal cos der Ausgangsspannungen 10 zu einem Arcustangenssignal verknüpft. Damit entsteht ein lineares Ausgangssignal, aus welchem die Lage der Geberstruktur 3 und damit des Rotors 2 direkt ableitbar ist.
5 zeigt schematisch, wie mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine optimierte Amplitudenabhängigkeit erreicht werden kann. 5 stellt die Empfindlichkeit, beispielsweise in Form der Amplitude, in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz ω der Resonanzkreise 6a, 6b dar. Wie aus 5 hervorgeht, ist die Empfindlichkeit der Resonanzkreise 6a, 6b nahe der entsprechenden Resonanzfrequenz am größten. Kurve B zeigt schematisch den Verlauf der Amplitude bei geringem Abstand der Geberstruktur 3 von den jeweiligen Sensorspulen. In diesem Falle ist die Bedämpfung durch die Geberstruktur 3 hoch und ergibt eine Resonanzfrequenz ω_u des bedämpften Systems, die von der unbedämpften oder wenig bedämpften Resonanzfrequenz ω₀ (Kurve A) abweicht. Bei Durchlaufen der Geberstruktur 3 treten also entsprechende Unterschiede in der Amplitude auf, die bei insgesamt geringen Abstand der Geberstruktur 3 von den Spulen effizient ausgewertet werden können. Bei Vergrößerung des Abstands, beispielsweise auf Grund von Fertigungstoleranzen, etc. ist die mittlere Bedämpfung beim Vorbeilaufen der Geberstruktur deutlich geringer und damit bei festgelegter Arbeitsfrequenz auch die Empfindlichkeit bei Änderung der Bedämpfung durch die Form der Geberstruktur. in diesem Falle kann der Verlust an Empfindlichkeit im Differenzsignal zu einem gewissen Grade kompensiert werden, indem die Arbeitsfrequenz ω_B entsprechend höher gewählt wird, d. h., der Arbeitspunkt P wird näher an die „mittlere” Resonanzfrequenz des im Mittel weniger bedämpften Systems herangeführt, so dass dennoch ausreichend große Differenzsignale erhalten werden können. D. h., auch für einen im Mittel größeren Abstand, der zu einer insgesamt für den Durchlauf der Geberstruktur geringeren Dämpfung führt, kann durch eine Anhebung des Arbeitspunktes P, der der Arbeitsfrequenz ω_B entspricht, eine relativ intensives Differenzsignal gewonnen werden.
Führt beispielsweise ein größerer Abstand der Geberstruktur 3, zum Beispiel durch einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes 7, zu einer geringeren Bedämpfung der Sensoranordnung 4, kann durch eine günstige Wahl des Arbeitspunktes P näher an der mittleren Resonanzfrequenz ω₀, wie durch den Pfeil in 5 gezeigt, die Empfindlichkeit heraufgesetzt werden, wodurch das Ausgangssignal so groß ist, dass die Winkellage des Rotors 2 mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Änderung des Abstandes zwischen der Geberstruktur 3 und der Sensoranordnung 4 bis zu zwei Millimeter betragen und dennoch eine ausreichend hohe Amplitude erzielt werden.
Ebenso wie das Lager des Rotors 2 mit der daran befindlichen Geberstruktur 3 in Radialrichtung in seiner Position schwanken kann, kann es auch in Achsenrichtung wandern. So ist es möglich, dass sich die Geberstruktur 3 von der Sensoranordnung 4 wegbewegt und dieser nicht mehr ideal gegenüber ist. Unter Umständen können hierbei axiale Toleranzen von wenigen Millimetern auftreten. Für diesen Fall kann das Spulendesign der Induktivitäten L1, L2 entsprechend angepasst werden, um axiale Toleranzen von zum Beispiel fünf Millimetern ausgleichen zu können.
Die Sensorsysteme 5 können in beliebiger Bauform gestaltet sein und, in Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur 3, radial oder axial zu dem Rotor 2 angeordnet sein. In Abhängigkeit von der Anordnung der Geberstruktur 3 und der zugehörigen Sensoranordnung 4 kann demnach die Abtastung der Geberstruktur 3 sowohl radial innen und außen als auch axial erfolgen.
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorsysteme 5 räumlich nahe zueinander angeordnet, beispielsweise mit einem Abstand von einigen Millimetern, um einen Höhenschlag bzw. eine Unwucht des Geberringes 7 über eine möglichst gleiche Amplitudenänderung auf den Differenzsignalen, beispielsweise der Sinus- und Kosinusspannung, zu eliminieren.
In den dargestellten Ausführungsformen sind die Sensorsysteme 5 an einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine vorgesehen. In anderen Ausführungsformen können die Geberstruktur 3 und die Sensorsysteme 5a und/oder 5b an beliebigen relativ zu einander bewegten Objekten, die hierin allgemein als Läufer und Stator bezeichnet sind, vorgesehen werden, um Position und/oder Bewegungsrichtung des Läufers zu bestimmen. Beispielsweise kann damit die Position und Richtung in einem Linearantrieb erfasst werden. Ferner kann der Läufer nur mit einem einzelnen Sensorsystem 5a oder 5b versehen sein, wenn die Richtung nicht bestimmt werden soll oder durch andere Mittel erfasst wird. Somit ist ein effizientes Mittel zur Winkelmessung und/oder zur Wegmessung bereitgestellt, in der durch die Induktivitätsänderung unter anderem durch Wirbelstromverluste in der Geberstruktur eine hohe Störsicherheit erreicht wird gegenüber rein magnetisch arbeitenden Systemen.
Mit dem Rotorlagegeber, wie er zuvor in einigen Ausführungsformen beschrieben ist, kann die Winkellage von zueinander rotierenden Teilen und insbesondere die Winkellage eines Rotors einer elektrischen Maschine berührungslos und sehr störunanfällig ermittelt werden, wodurch die Steuerung von elektrischen Maschinen, z. B. permanent erregte Maschinen, Asynchronmaschinen, etc. unter Einsatz eines robusten und kostengünstigen Sensorsystems in sehr effizienter Weise durchgeführt werden kann.
Beispielsweise bezieht sich die Winkellage von 0 bis 360°, die aus dem Signal des Gebersystems abgeleitet werden kann, jeweils auf eine Periode einer sinusförmigen Stromkommutierung einer Synchronmaschine, die der Polpaarzahl im Stator entspricht. Wenn z. B. die Synchronmaschine eine Polpaarzahl von 7, aufweist, wiederholt sich die Periode der Winkelerfassung von 0 bis 360° siebenmal im Verlauf einer mechanischen Umdrehung, was einem Winkel von 51,43° entspricht.
Das erfindungsgemäße System zum Erfassen der Position eines Läufers, insbesondere der Winkellage eines Rotors sowie das zugehörige Verfahren sind insbesondere vorteilhaft bei Startergeneratoranwendungen im Automobilbereich einsetzbar, wo der Schaltkreis 8 harten Umweltbedingungen ausgesetzt ist und der induktive Positionssensor gegenüber hohen Motorströmen von bis zu 1.000 Ampere unempfindlich sein muss. Ferner lassen sich durch das erfindungsgemäße Sensorsystem elektrische Antriebe, die in Fahrzeugen beispielsweise in Hybridantrieben oder als reine Elektroantriebe vorgesehen sind, effizient einsetzen, da beispielsweise die elektronische Kommutierung von permanent erregten Synchronmotoren oder bürstenlosen Gleichstrommotoren oder die Steuerung von Asynchronmaschinen durchgeführt werden kann.

1: elektrische Maschine
2: Läufer bzw. Rotor
3: Geberstruktur
4: Sensoranordnung
5, 5a, 5b: Sensorsysteme
6a, 6b: Resonanzkreise
: Geberring
: Schaltung
: Sensorsignale
: Analogspannung
: Schaltungsausgang
: Schaltungskanal
: Rechenmodul
: Schaltungseingang
: Verstärker und Filter
: Komparatoren
: ZAP (Zero Amplitude Phase)
: Exklusiv-Oder-Glieder
: Tiefpassfilter
: Pufferstufen
: Spannungsregler
C1, C2: Kapazitäten
cos: Kosinussignal
L1, L2, L3, L4: Induktivitäten
P: Arbeitspunkt
A: Amplitude
R1, R2: Widerstände
sin: Sinussignal
V: Wechselspannungsquelle
ω₀: Resonanzfrequenz
ω_B: Arbeitsfrequenz
ω_U: Resonanzfrequenz bei starker Bedämpfung
Os1, Os2: Oszillator

Claims

System zum Erfassen einer Lage eines Läufers (2) einer Maschine, mit einer Geberstruktur (3), die an dem Läufer (2) angebracht und mit diesem bewegbar ist, und einer positionsfesten Sensoranordnung (4), die der Geberstruktur (3) gegenüber ist und wenigstens ein Sensorsignal (9) zur Verfügung stellt, aus dem die Lage ableitbar ist, wobei die Sensoranordnung (4) eine erste induktive Komponente in Form einer planaren Spule aufweist, und die Geberstruktur (3) ausgebildet ist, eine bewegungsabhängige Änderung einer Induktivität der induktiven Komponente hervorzurufen, wobei der Sensoranordnung (4) eine Schaltung (8) nachgeordnet ist, die das Sensorsignal (9) in ein die Winkelinformation beinhaltendes Signal (10) am Schaltungsausgang (11) umwandelt, und wobei die Schaltung ein erstes Modul aufweist, das ein Sinussignal (sin) und ein Kosinussignal (cos) erzeugt und die Schaltung (8) ein Rechenmodul (13) aufweist, das aus dem Sinussignal (sin) und dem Kosinussignal (cos) eine Arcustangensfunktion berechnet.
System nach Anspruch 1, wobei die Geberstruktur ein elektrisch leitendes Material aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Geberstruktur (3) eine sich periodisch winkelabhängig verändernde Struktur aufweist.
System nach Anspruch 3, wobei die sich verändernde Struktur sinusförmig, dreieckförmig oder teilweise rechteckförmig ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geberstruktur (3) auf einem Ring (7) radial innen oder außen an dem Rotor (2) vorgesehen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geberstruktur (3) axial an einem Rotor (2) vorgesehen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (4) einen ersten Schwingkreis (6a, 6b) aufweist und die erste induktive Komponente ein Teil des ersten Schwingkreises (6a, 6b) ist.
System nach Anspruch 7, wobei die Sensoranordnung einen zweiten Schwingkreis (6a, 6b) mit einer zweiten induktiven Komponente aufweist und der erste und der zweite Schwingkreis ein erstes Sensorsystem bilden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste induktive Komponente als Teil eines ersten Oszillators verwendet ist.
System nach Anspruch 9, wobei eine zweite induktive Komponente vorgesehen ist, die als Teil eines zweiten Oszillators verwendet ist und der erste Oszillator, die erste induktive Komponente, der zweite Oszillator und die zweite induktive Komponente ein erstes Sensorsystem (5) bilden.
System nach Anspruch 8 oder 10, wobei die Sensoranordnung (4) ein zweites, zu dem ersten versetztes Sensorsystem (5) umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei das erste und zweite Sensorsystem baugleich sind.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei das erste und zweite Sensorsystem (5) der Sensoranordnung (4) räumlich nahe zueinander angeordnet sind, so dass die Geberanordnung das erste und das zweite Sensorsystem im wesentlichen gleich beeinflusst.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (8) ausgebildet ist, das die Winkelinformation beinhaltende Signal aus einer Phasendifferenz und/oder aus einer Amplitudendifferenz und/oder aus einer Frequenzdifferenz des Sensorsignals zu ermitteln.
System nach Anspruch 1 oder 14, wobei die Schaltung (8) symmetrische Kanäle (12) zum Abgreifen und Verarbeiten von Komponenten des Sensorsignals (9) der Sensoranordnung (4) aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite induktive Komponente (L1, L2) des ersten und zweiten Schwingkreises (6a, 6b) angeordnet sind, um zueinander phasenverschobene Ausgangssignale auszugeben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine mit zumindest der ersten induktiven Komponente gekoppelten Wechselspannungsquelle (V) mit einer Frequenz (f) zwischen etwa 500 kHz und etwa 5 MHz vorgesehen ist.
System nach Anspruch 17 und 7 und 8, wobei der erste und der zweite Schwingkreis (6a, 6b) auf die Frequenz (f) der Wechselspannungsquelle (V) abgestimmt sind.
System nach Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Schwingkreis auf die Frequenz des Wechselspannungsquelle auf der Grundlage eines Abstands der Geberstruktur von der Sensoranordnung abgestimmt sind.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Schwingkreis ein Reihenschwingkreis ist.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Schwingkreis ein Parallelschwingkreis ist.
Verfahren zum Erfassen einer Lage eines Läufers (2) einer Maschine, mit: Ändern der Induktivität einer Sensoranordnung durch Lageänderung einer mit dem Läufer gekoppelten Geberstruktur, wobei die Sensoranordnung eine planare Spule aufweist, Erfassen der Induktivitätsänderung der planaren Spule in der Sensoranordnung, Ermitteln einer Lage des Läufers auf der Grundlage der erfassten Induktivitätsänderung der Spule durch Erzeugen eines Sinussignals (sind) und eines Kosinussignal (cos) und Berechnen einer Arcustangensfunktion aus dem Sinussignal (sin) und dem Kosinussignal (cos).
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Phasendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Amplitudendifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Änderung der Induktivität durch eine Frequenzdifferenz zweier schwingender Sensorsysteme der Sensoranordnung erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei eine Arbeitsfrequenz zur Beaufschlagung einer induktiven Komponente mit Wechselspannung auf der Grundlage eines Abstands der induktiven Komponente von einer Geberstruktur.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei bei größerem Abstand die Arbeitsfrequenz höher gewählt wird im Vergleich zu einem kleinerem Abstand.