DE102006056906A1

DE102006056906A1 - Sensoranordnung zur Bestimmung eines Absolutwinkels

Info

Publication number: DE102006056906A1
Application number: DE102006056906A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schirling; Peter Stauder; Johannes GÖRLACH; Yves Kheyr-Pour
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Temic Automotive Electric Motors GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-12-02
Filing date: 2006-12-02
Publication date: 2008-06-05

Abstract

Sensoranordnung zur Messung eines Drehwinkels, welche einen im Wesentlichen zylinderförmigen, magnetisierbaren oder magnetischen Encoder (1), mindestens ein Magnetfeldsensorelement (3, 4), welches bezüglich der Zylinderachse des Encoders radial positioniert ist und den Encoder nicht berührt, und eine Welle (7) aufweist, auf welcher der Encoder (1) befestigt ist, wobei das mindestens eine Magnetfeldsensorelement (3, 4) das, durch relative Rotationsbewegung/en zwischen Encoder (1) und dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement (3, 4), beeinflusste Magnetfeld erfasst, wobei der im Wesentlichen zylinderförmige Encoder (1) eine exzentrische Bohrung (2) durch dessen Grundflächen aufweist, wobei diese Bohrung (2) die Welle (7) aufnimmt, so dass sich das durch den Encoder (1) beeinflusste Magnetfeld bezüglich der Rotationsachse gemäß dem Drehwinkel ändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie deren Verwendung in Kraftfahrzeugen.
Sensoranordnungen zur Winkelmessung finden vielfältigen Einsatz. Sie werden beispielsweise zur Erfassung des Lenkwinkels in Kraftfahrzeugen und dabei vorzugsweise zur Bestimmung des Lenkwinkels in fahrdynamischen Regelungen (ESP) verwendet. Darüber hinaus werden sie auch beispielsweise zur Drehwinkelerfassung des Rotors von Elektromotoren eingesetzt.
Eine bereits bekannte Anordnung zur berührlosen Messung eines Drehwinkels innerhalb von 360° verwendet einen besonders einfach ausgebildeten zylinderförmigen Encoder, welcher im Wesentlichen zu seiner Zylindergrundfläche homogen und parallel magnetisiert ist. Solche magnetischen Encoder werden auch als Diametral-Encoder oder Diametralmagnete bezeichnet, da Nord- und Südpol bezüglich einer durch den Mittelpunkt der Grundfläche verlaufenden Symmetrielinie gegenüberliegend angeordnet sind.
Aufgrund dieser Art der Magnetisierung des Encoders wird das ihn umgebende magnetische Feld durch eine Drehung des Enco ders um dessen Zylinderachse so beeinflusst, dass die Änderungen des magnetischen Feldes infolge der Drehbewegungen, durch Magnetfeldsensoren erfassbar sind und als Drehwinkeländerungen bewertet werden können. Ein zylinderförmiger Encoder, welcher hingegen eine übliche Magnetisierung im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse aufweist, beeinflusst das ihn umgebende Magnetfeld in einer. Weise, dass aus diesem keine Rückschlüsse auf Drehungen des Encoders um seine Zylinderachse möglich sind.
Zur Messung des Drehwinkels eines solchen Encoders um dessen Zylinderachse ist es üblich, aufgrund des diesen umgebenden Feldlinienverlaufs, Sensoranordnungen zu verwenden, bei denen mindestens ein Sensorelement axial, im Wesentlichen mittig zentriert unter oder über dem Encoder angeordnet ist. Dies ist häufig nicht leicht zu realisieren. Wenn zum Beispiel die Installation solch einer Sensoranordnung zur Drehwinkelerfassung einer Welle dient und nach deren Einbau erfolgen soll, ist es möglich dass an den Enden der Welle kein Bauraum mehr zugänglich ist. Außerdem treten Fälle auf, bei denen konstruktionsbedingt an keinem Ende der Welle Bauraum für eine Sensoranordnung zur Verfügung steht.
Druckschrift US 7,030,608 A1 schlägt eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung vor, welche einen zylinderförmigen Magnetencoder, mit zur Zylindergrundfläche paralleler Magnetisierung aufweist und zwei Magnetfeldsensorelemente, welche zueinander und bezüglich der Zylindergrundfläche um 90° verdreht ausgerichtet sind und zusammen an einem Ort im radialen Magnetfeld des Magnetencoders positioniert sind. Die eng benachbarte Positionierung der beiden Magnetfeldsensorelemente ist allerdings insofern nachteilig, dass diese beiden Elemente die zu erfassenden Magnetfeldkomponenten des jeweils anderen Elements beeinflussen und so zu einer systematischen Messungenauigkeit beitragen. Darüber hinaus ist die eng benachbarte Positionierung beider Magnetfeldsensorelemente auch anfällig gegenüber kleinen Verschiebungen, bzw. Abstandsfehlern zum Encoder oder des Encoders von seiner idealen Mittelachse, welche gewisse Messfehler hervorrufen. Diese können durch eine Art Pendelbewegung charakterisiert werden, welche der Magnetfeldsensor im Zuge einer Drehbewegung des Encoders erfasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Sensoranordnung vorzuschlagen, insbesondere eine Sensoranordnung, welche nur ein Magnetfeldsensorelement benötigt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde eine Sensoranordnung zur Messung eines Drehwinkels vorzuschlagen, welche einen im Wesentlichen zylinderförmigen, magnetisierbaren oder magnetischen Encoder, mindestens ein Magnetfeldsensorelement, welches bezüglich der Zylinderachse des Encoders radial positioniert ist und den Encoder nicht berührt, und eine Welle aufweist. Der Encoder ist auf der Welle befestigt und das mindestens eine Magnetfeldsensorelement erfasst das, durch relative Rotationsbewegung/en zwischen Encoder und dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement beeinflusste Magnetfeld. Der im Wesentlichen zylinderförmige Encoder weist eine exzentrische Bohrung durch seine Grundflächen auf. Diese Bohrung nimmt die Welle auf, so dass sich das durch den Encoder beeinflusste Magnetfeld bezüglich der Rotationsachse gemäß dem Drehwinkel ändert.
Vorzugsweise ändert sich dabei die Magnetfeldstärke und/oder die magnetische Flussdichte, insbesondere im Luftspalt zwischen dem Encoder und dem jeweiligen, mindestens einen Magnetfeldsensorelement.
Eine Positionierung der Sensorelemente radial zur Zylinderachse des Encoders ermöglicht die Verwendung der Sensoranordnung zur Bestimmung des Drehwinkels einer Welle, wobei der Encoder nicht an oder auf einem Ende der Welle angeordnet sein muss. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ermöglicht insbesondere eine absolute Drehwinkelmessung innerhalb eines Messbereichs von 360°, also innerhalb einer Umdrehung.
Es ist zweckmäßig, dass der Encoder im Wesentlichen aus einem weichmagnetischen Material besteht. Insbesondere besteht der Encoder im Wesentlichen aus Eisen. Besonders bevorzugt wird der Encoder durch ein Stanzverfahren ausgebildet. Solche Encoder, insbesondere ausgestanzte Weicheisenencoder, sind relativ kostengünstig. Darüber hinaus ermöglicht ein Weicheisenencoder insbesondere die Verwendung von Hallelementen mit Permanentmagneten.
Der Encoder kann alternativ vorzugsweise sowohl auf dem ru henden Teil und/oder dem beweglichen Teil angeordnet sein. Insbesondere kann also die Welle rotatorisch beweglich und/oder das mindestens eine Magnetfeldsensorelement rotatorisch beweglich sein.
Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine Magnetfeldsensorelement ein Hallelement beziehungsweise ein Hallsensor ist.
Vorzugsweise ist der Encoder im Wesentlichen nicht auf einem Wellenende befestigt. Die Möglichkeit dieses Merkmal umzusetzen ist ein Vorteil der vorgeschlagenen Sensoranordnung.
Der Encoder weist bevorzugt mindestens eine Ausgleichskavität auf, die so ausgebildet ist, dass der Encoder bezüglich seiner Rotationsbewegungen ausgewuchtet ist. Insbesondere weist der Encoder eine Ausgleichsbohrung auf, besonders bevorzugt zwei Ausgleichsbohrungen.
Es ist zweckmäßig, dass die Sensoranordnung mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente aufweist, welche bezüglich der Zylinderachse des Encoders um einen Winkelbetrag zwischen mehr als 45° und weniger als 135° zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine höhere Genauigkeit der Drehwinkelberechnung erreichen. Insbesondere können Messfehler und/oder systematische Fehler, welche sich aus der Feldgeometrie des/der magnetischen Feldes/Felder ergeben, ausgeglichen und/oder herausgerechnet werden.
Die Sensoranordnung weist bevorzugt zwei Magnetfeldsensorelemente auf, welche bezüglich der Zylinderachse des Enco ders um einen Winkelbetrag von im Wesentlichen 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die um 90° zueinander versetzte Anordnung der Magnetfeldsensorelemente ermöglicht eine relativ einfache Berechnung des Drehwinkels unter Berücksichtigung der mindestens zwei Sensorausgangssignale.
Bei dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement ist zweckmäßigerweise jeweils ein, in zur Zylinderachse des Encoders im Wesentlichen radialer Richtung magnetisierter, Permanentmagnet angeordnet. Insbesondere ist der jeweilige Permanentmagnet in Richtung im Wesentlichen radial zur Zylinderachse des Encoders, vom Encoder ausgehend, hinter, besonders bevorzugt direkt hinter, dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement angeordnet. Hierdurch kann insbesondere eine Kombination mit weichmagnetischem Encoder und mindestens einem Hallelement einfach realisiert werden. Das Magnetfeld des mindestens einen Permanentmagneten wird durch den Encoder moduliert beziehungsweise beeinflusst, wobei das mindestens eine Magnetfeldsensorelement diese unterschiedlichen Ausprägungen der Magnetfeldlinien, insbesondere die jeweilige magnetische Flussdichte und/oder den magnetischen Fluss, erfasst und aus diesem eine Drehstellung des Encoder und damit einen Drehwinkel der Welle berechnet werden kann.
Vorzugsweise findet die Berechnung des Drehwinkels und/oder die Berechnung der entsprechenden Drehstellung des Encoders in einer externen elektronischen Kontrolleinheit statt.
Bevorzugt ist die Welle Teil des Rotors eines Elektromotors. Hierdurch lässt sich die jeweilige Drehstellung des Rotors berechnen.
Es ist zweckmäßig, dass die Welle als eine Hohlwelle und/oder Hülse ausgebildet ist. Solch eine Bauform von Wellen findet sich beispielsweise in Lenksystem von Kraftfahrzeugen zur Bestimmung von Lenkwinkeln und/oder Lenkmomenten.
Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen. Diesbezüglich vorzugsweise in einer Anordnung zur Messung des Drehwinkels einer Lenkwelle.
Die hier vorgeschlagene Sensoranordnung kann in unterschiedlichen Bereichen zur Messung von absoluten Winkeln verwendet werden. Dabei ist ein Einsatz dieser Sensoranordnung besonders in Sensorsystemen, insbesondere Lenkwinkelsensoren bzw. Lenkwinkelsensorsystemen oder in erweiterter Form als eigenständiger Lenkwinkelsensor, in Kraftfahrzeugen sinnvoll. Darüber hinaus kann die Sensoranordnung auch speziell zur Winkelmessung in Drehreglern und zur Messung des Drehwinkels von Wellen verwendet werden. Alternativ vorzugsweise wird die Sensoranordnung zur Messung bzw. zur Drehwinkelerfassung des Rotors eines Elektromotors eingesetzt. Dabei ist insbesondere eine Anordnung des Encoders auf einer Hohlwelle und/oder einer Hülse vorgesehen. Es ist alternativ ebenfalls vorgesehen die Sensoranordnung auf einem Stator anzuordnen, um welchen ein Außenläufer rotiert, der mindestens ein Magnetfeldsensorelement aufweist. Des Weiteren ist die vorgeschlagene Sensoranordnung besonders geeignet für eine Verwendung in einem Servomotor für eine Hinterachslenkung, für Pumpenmotoren, insbesondere in einem Antiblockiersystem und für eine Verwendung in einem Motor in einer aktiven Lenkung und/oder servo-unterstützten Lenkung. Insbesondere wird die Sensoranordnung in einer Motorregelung verwendet.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einem zylinderförmigen Encoder, zwei Hallelementen und jeweils einem Permanentmagneten und
2 ein Ausführungsbeispiel in welchem der Encoder auf einer Welle angeordnet ist, welche Teil des Rotors eines Elektromotors ist.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung dargestellt. Zylinderförmiger Encoder 1 ist aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgebildet und weist eine, bezüglich seiner beiden im Wesentlichen kreisförmigen Grundflächen, exzentrische Bohrung 2 auf, welche so ausgebildet ist, dass sie eine Welle aufnehmen kann, deren Drehwinkel gemessen werden soll. Des Weiteren weist zylinderförmiger Encoder 1 zwei weitere exzentrische Bohrungen 5 auf. Diese dienen dazu, die Unwucht, welche aufgrund der exzentrischen Bohrung und damit aufgrund der Anordnung des Encoders 1 auf der Welle entsteht, auszugleichen, insbesondere im Wesentlichen aufzuheben. Bezüglich der Zylinderachse radial und berührungslos zu Encoder 1 sind zwei Magnetfeldsensorelemente 3 und 4 angeordnet. Diese sind beispielhaft zwei Hall-Elemente und bezüglich der Zylinderachse des Encoders 1 im Wesentlichen um 90° zueinander versetzt angeordnet. In Richtung radial zur Zylinderachse des Encoders, vom Encoder ausgehend, direkt hinter Hallelement 3 und 4 ist jeweils ein Permanentmagnet 6 angeordnet. Diese Permanentmagneten 6 erzeugen jeweils ein Magnetfeld, welches durch Hallelemente 3 und 4 erfasst wird. In Abhängigkeit der Drehstellung des zylinderförmigen Encoders 1 werden die Magnetfeldlinien beeinflusst. Dabei wird der magnetische Fluss durch Encoder 1 verstärkt, wobei diese Verstärkung abhängig von der jeweiligen Drehstellung Encoders 1 ist, beziehungsweise vom jeweiligen Abstand zwischen dem Außenrand Encoders 1 zu Hallelementen 3 und 4 abhängig ist. Man kann die Drehbewegungen beziehungsweise die Drehstellungsänderungen von Encoder 1 auch als Luftspaltänderungen zwischen Encoder 1 und dem jeweiligen Permanentmagneten 6 auffassen. Hallelemente 3 und 4 erfassen die jeweilige magnetische Flussdichte, aus welcher die jeweilige Drehstellung des Encoders und damit dessen jeweiliger Drehwinkel, ausgehend von einer Referenzstellung, berechnet wird.
2 zeigt eine Welle 7, welche durch Elektromotor 8 verläuft und auf welcher die Rotorwicklungen Elektromotors 8 angeordnet sind. Zusätzlich ist zylinderförmiger Encoder 1, aus weichmagnetischem Material, wie beispielgemäß Eisen, auf Welle 7 angeordnet. Dabei nimmt Encoder 1 Welle 7 mit einer exzentrischen Bohrung auf. Radial, berührungslos zu Encoder 1 ist Hallelement 3 angeordnet. Bei diesem, beziehungsweise hinter diesem von Welle 7 ausgehend, ist ein Permanentmagnet angeordnet. Das durch diesen Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld wird durch Encoder 1 moduliert beziehungsweise entsprechend der geometrischen Ausbildung Encoders 1, dessen Permeabilität und jeweiliger Drehstellung resultiert eine bestimmte magnetische Flussdichte, insbesondere im Luftspalt zwischen Encoder 1 und Hallelement 3, welche durch Hallelement 3 erfasst wird. Daraus wird die jeweilige Drehstellung Encoders 1 beziehungsweise der jeweilige Drehwinkel der Welle 7 berechnet.

Claims

Sensoranordnung zur Messung eines Drehwinkels, welche einen im Wesentlichen zylinderförmigen, magnetisierbaren oder magnetischen Encoder (1), mindestens ein Magnetfeldsensorelement (3, 4), welches bezüglich der Zylinderachse des Encoders radial positioniert ist und den Encoder nicht berührt, und eine Welle (7) aufweist, auf welcher der Encoder (1) befestigt ist, wobei das mindestens eine Magnetfeldsensorelement (3, 4) das, durch relative Rotationsbewegung/en zwischen Encoder (1) und dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement (3, 4), beeinflusste Magnetfeld erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen zylinderförmige Encoder (1) eine exzentrische Bohrung (2) durch dessen Grundflächen aufweist, wobei diese Bohrung (2) die Welle (7) aufnimmt, so dass sich das durch den Encoder (1) beeinflusste Magnetfeld bezüglich der Rotationsachse gemäß dem Drehwinkel ändert.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (1) im Wesentlichen aus einem weichmagnetischen Material besteht.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (1) im Wesentlichen nicht auf einem Wellenende befestigt ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder (1) min destens eine Ausgleichskavität (5) aufweist, die so ausgebildet sind, dass der Encoder bezüglich seiner Rotationsbewegungen ausgewuchtet ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente (3,4) aufweist, welche bezüglich der Zylinderachse des Encoders (1) um einen Winkelbetrag zwischen mehr als 45° und weniger als 135° zueinander versetzt angeordnet sind.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Magnetfeldsensorelemente (3, 4) aufweist, welche bezüglich der Zylinderachse des Encoders (1) um einen Winkelbetrag von im Wesentlichen 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement (3, 4) jeweils ein, in zur Zylinderachse des Encoders (1) in im Wesentlichen radialer Richtung magnetisierter, Permanentmagnet (6) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Permanentmagnet (6) in Richtung radial zur Zylinderachse des Encoders (1), vom Encoder ausgehend, hinter, insbesondere direkt hinter, dem mindestens einen Magnetfeldsensorelement (3, 4) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7) Teil des Rotors eines Elektromotors ist (8).
Verwendung der Sensoranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen.