Title:
Winkelsensor
Kind Code:
B4
Abstract:

Winkelsensor mit
einer Sendespule (5),
einer an die Sendespule (5) angeschlossenen Oszillatorschaltung (4), um ein Wechselspannungssignal zu erzeugen und in die Sendespule (5) einzuspeisen, und
einer Empfangsspule (7, 8), in der die Sendespule (5) im Betrieb ein von der Winkelstellung eines beweglichen Messglieds (10) abhängendes Messsignal induziert, wobei die Oszillatorschaltung (4) und die Sendespule (5) auf dem Messglied (10) angeordnet sind, und
zur Spannungsversorgung der Oszillatorschaltung (4) auf dem Messglied (10) eine an die Oszillatorschaltung (4) angeschlossene Versorgerspule (3) angeordnet ist, in der mittels einer zweiten Sendespule (2), relativ zu welcher das Messglied (10) beweglich ist, eine Versorgungswechselspannung induzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Versorgungswechselspannung von der Frequenz des Wechselspannungssignals abweicht.



Inventors:
Mesinger, Markus (71665, Vaihingen, DE)
Etzkorn, Hans-Peter (76646, Bruchsal, DE)
Merte, Rolf, Dr. (69168, Wiesloch, DE)
Application Number:
DE102008020325A
Publication Date:
10/29/2009
Filing Date:
04/23/2008
Assignee:
BorgWarner Ludwigsburg GmbH, 71636 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10156238A1N/A2003-06-05
Foreign References:
48097421989-03-07
48292471989-05-09
56252391997-04-29
EP05549001998-08-05
WO1999018653A11999-04-15
Attorney, Agent or Firm:
TWELMEIER MOMMER & PARTNER Patent- und Rechtsanwälte mbB, 75172, Pforzheim, DE
Claims:
1. Winkelsensor mit
einer Sendespule (5),
einer an die Sendespule (5) angeschlossenen Oszillatorschaltung (4), um ein Wechselspannungssignal zu erzeugen und in die Sendespule (5) einzuspeisen, und
einer Empfangsspule (7, 8), in der die Sendespule (5) im Betrieb ein von der Winkelstellung eines beweglichen Messglieds (10) abhängendes Messsignal induziert, wobei die Oszillatorschaltung (4) und die Sendespule (5) auf dem Messglied (10) angeordnet sind, und
zur Spannungsversorgung der Oszillatorschaltung (4) auf dem Messglied (10) eine an die Oszillatorschaltung (4) angeschlossene Versorgerspule (3) angeordnet ist, in der mittels einer zweiten Sendespule (2), relativ zu welcher das Messglied (10) beweglich ist, eine Versorgungswechselspannung induzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Versorgungswechselspannung von der Frequenz des Wechselspannungssignals abweicht.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sendespule (2) an eine Erregerschaltung (1) angeschlossen ist, welche im Betrieb die zweite Sendespule (2) mit Wechselspannung speist.

3. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Versorgungswechselspannung kleiner als die Frequenz des Wechselspannungssignals ist.

4. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Versorgungswechselspannung mindestens 10mal, vorzugsweise mindestens 100mal, kleiner als die Frequenz des Wechselspannungssignals ist.

5. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Versorgungswechselspannung 500 Hz bis 500 kHz, vorzugsweise 1 kHz bis 100 kHz, beträgt.

6. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselspannungssignals 500 kHz bis 1 GHz, vorzugsweise 1 MHz bis 100 MHz beträgt.

7. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannungssignal eine Oberschwingung der Versorgungswechselspannung ist.

8. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorschaltung (4) galvanisch von der zweiten Sendespule (2) getrennt ist.

9. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Empfangsspulen (7, 8) vorhanden sind, die unterschiedlich orientiert sind.

10. Winkelsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an die mindestens eine Empfangsspule (7, 8) angeschlossene Auswerteschaltung (6) zur Auswertung der Messsignale.

11. Winkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (6) einen Filter enthält, um die Messsignale von Störsignalen, insbesondere Störsignalen mit der Frequenz der Versorgungswechselspannung, zu trennen.

12. Verfahren zur Messung der Winkelstellung eines beweglichen Messglieds (10), wobei ein von einer Oszillatorschaltung (4) erzeugtes Wechselspannungssignal in eine Sendespule (5) eingespeist wird, die zusammen mit der Oszillatorschaltung (4) auf dem beweglichen Messglied (10) angeordnet ist, so dass in einer Empfangsspule (7, 8), relativ zu welcher das Messglied (10) beweglich ist, ein von der Winkelstellung des Messglieds (10) abhängendes Messsignal induziert wird, und wobei die Oszillatorschaltung (4) mit Spannung versorgt wird, indem in eine auf dem Messglied (10) angeordnete Versorgerspule (3) mittels einer zweiten Sendespule (2), relativ zu welcher das Messglied (10) beweglich ist, eine Versorgungswechselspannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Sendespule (2) eine Wechselspannung angelegt wird, deren Frequenz sich von der Frequenz des Wechselspannungssignals unterscheidet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal mit der Frequenz der Versorgungswechselspannung getriggert wird.

Description:

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Winkelsensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Winkelsensor ist beispielsweise aus der EP 0554 900 B1 und der WO 99/18653 A1 bekannt, die einen Elektromotor mit einem induktiv arbeitenden Stellungsdetektor beschreiben.

Induktive Winkelsensoren ermöglichen eine berührungslose Winkelmessung und werden deshalb in Kraftfahrzeugen zur Detektion von Klappenstellungen, beispielsweise von Drosselklappen, Drallklappen oder in Abgasrückführsystemen, verwendet, wie beispielsweise aus der DE 101 56 238 A1 bekannt. Weitere Anwendungen induktiver Winkelsensoren betreffen beispielsweise die Detektion des Zustands von Ventilen, insbesondere in der Prozess- oder Versorgungsindustrie.

Bei einem induktiven Winkelsensor wird mit einer Oszillatorschaltung ein Wechselspannungssignal erzeugt, das in eine Sendespule eingespeist wird, so dass in einer Empfangsspule ein von der zu messenden Winkelstellung eines Messglieds abhängendes Signal induziert wird. Bei dem aus der DE 101 56 238 A1 bekannten Winkelsensor sind die Sendespule und die Empfangsspule über ein Messglied in Form eines Rotors magnetisch gekoppelt, wobei die Stärke dieser Kopplung von der Winkelstellung des Rotors abhängt.

Nachteilig an dem bekannten Winkelsensor ist ein sehr niedriges Signalsrauschverhältnis, so dass eine äußerst aufwendige Aufbereitung des in der Empfangsspule induzierten Signals erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, das Signalrauschverhältnis zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch einen Winkelsensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren zur Messung der Winkelstellung eines beweglichen Messglieds mit den im Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird eine verbesserte magnetische Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und somit ein stärkeres Messsignal erreicht, indem die Sendespule zusammen mit der Oszillatorschaltung auf dem beweglichen Messglied angeordnet ist. Zur Spannungsversorgung der Oszillatorschaltung ist auf dem Messglied eine an die Oszillatorschaltung angeschlossene Versorgerspule angeordnet, in der mittels einer zweiten Sendespule, relativ zu welcher das Messglied beweglich ist, eine Versorgungswechselspannung induzierbar ist. Die Oszillatorschaltung nutzt die Versorgungswechselspannung, um das Wechselspannungssignal zu erzeugen, welches das Messsignal induziert. Auf diese Weise kann in der Empfangsspule das Messsignal in einer wesentlich erhöhten Signalfeldstärke induziert werden, so dass sich ein besseres Signalrauschverhältnis ergibt.

Die auf dem Messglied angeordneten Teile eines erfindungsgemäßen Winkelsensors bilden gewissermaßen einen Transponder, der von der zweiten Sendespule abgefragt wird und dessen Antwort von der Empfangsspule als Messsignal empfangen wird.

Zur Spannungsversorgung der zweiten Sendespule kann diese an eine Erregerschaltung angeschlossen sein, die im Betrieb die Sendespule mit Wechselspannung speist.

Bevorzugt weicht die Frequenz der Versorgungswechselspannung von der Frequenz des Wechselspannungssignals und damit von der Frequenz des Messsignals ab. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass sich Störsignale, die in der Empfangsspule durch die zweite Sendespule mit der Frequenz der Versorgungswechselspannung induziert werden können, herausfiltern lassen. Bevorzugt ist die Frequenz der Versorgungswechselspannung kleiner als die Frequenz des Wechselspannungssignals, besonders bevorzugt mindestens 10mal, insbesondere mindestens 100mal kleiner. Die Frequenz der Versorgungswechselspannung kann beispielsweise zwischen 500 Hz und 500 kHz, insbesondere 1 kHz bis 100 kHz, gewählt werden. Für die Frequenz des Wechselspannungssignals ist insbesondere der Frequenzbereich von 500 kHz bis 1 GHz, insbesondere 1 MHz bis 100 MHz, vorteilhaft. Liegt beispielsweise die Frequenz der Versorgungswechselspannung im kHz-Bereich und die Frequenz des Wechselspannungssignals im MHz-Bereich, so lassen sich auf der Versorgungswechselspannung beruhende Störsignalanteile leicht von dem Messsignal trennen.

Ein besonders einfacher Aufbau der Oszillatorschaltung lässt sich erreichen, indem das Wechselspannungssignal als Oberschwingung der Versorgungswechselspannung erzeugt wird. Bevorzugt ist deshalb das Wechselspannungssignal eine Oberschwingung der Versorgungswechselspannung.

Bevorzugt hat der Winkelsensor mehrere Empfangsspulen, relativ zu denen das Messglied beweglich ist. Indem mehrere unterschiedlich orientierte Empfangsspulen verwendet werden, lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen. Beispielsweise können zwei Empfangsspulen verwendet werden, die quer zueinander, insbesondere rechtwinklig zueinander, nach Art eines Winkellagegebers orientiert sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Messsignal mit der Frequenz der Versorgungswechselspannung getriggert wird. Auf diese Weise lässt sich das Messsignal eindeutig an seiner zeitlichen Lage in Bezug auf die Phase der Versorgungswechselspannung, deren, vorzugsweise wesentlich kleinere, Frequenz unvermeidlich in geringer Stärke ebenfalls in der Empfangsspule induziert wird, identifizieren und folglich besser auswerten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Oszillatorschaltung das Wechselspannungssignal und damit das Messsignal nur in Spannungspulsen erzeugt, deren Länge kleiner als die Periode des Versorgungswechselspannung ist und deren Beginn jeweils mit einer definierten Phase der Versorgungswechselspannung, beispielsweise dem Nulldurchgang bei abnehmender Amplitude, festgelegt ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Winkelsensors.

Der in 1 schematisch dargestellte Winkelsensor hat ein dreh- oder schwenkbar bewegliches Messglied 10, das eine Sendespule 5 und eine an die Sendespule 5 angeschlossene Oszillatorschaltung 4 trägt. Zur Messung der Winkelstellung des Messglieds 10 erzeugt die Oszillatorschaltung 4 ein Wechselspannungssignal und speist dieses in die Sendespule 5 ein. Die Sendespule 5 induziert dann in den Empfangsspulen 7, 8, die unterschiedlich orientiert sind, ein von der Winkelstellung des Messglieds abhängendes Messsignal, das dieselbe Frequenz wie das von der Oszillatorschaltung 4 erzeugte Wechselspannungssignal hat.

Die Empfangsspulen 7, 8 sind an eine Auswerteschaltung 6 angeschlossen, welche die in den Empfangsspulen 7, 8 induzierten Messsignale auswertet, um die Winkelstellung des Messglieds 10 zu bestimmen.

Die Oszillatorschaltung 4 wird mit Spannung versorgt, indem in einer an die Oszillatorschaltung 4 angeschlossenen Versorgerspule 3 mittels einer zweiten Sendespule 2 eine Versorgungswechselspannung induziert wird. Die Versorgerspule 3 könnte an sich auch als Empfangsspule bezeichnet werden, jedoch könnte dies zu Verwechslungen mit den Empfangsspulen 7, 8, die eine ganz andere Funktion haben, führen. Die Versorgerspule 3 dient nämlich dazu, die Oszillatorschaltung 4 mit der zur Erzeugung des Wechselspannungssignals erforderlichen Energie zu versorgen, während in den Empfangsspulen 7, 8 die von der Winkelstellung des Messglieds 10 abhängende Messsignale induziert werden.

Die zweite Sendespule 2 ist an eine Erregerschaltung 1 angeschlossen, welche im Betrieb die Sendespule 2 mit Wechselspannung speist, so dass in der Versorgerspule 3 die Versorgungswechselspannung induziert werden kann.

Die Oszillatorschaltung 4 ist galvanisch von der Erregerschaltung 1 und der Auswerteschaltung 6 getrennt, so dass das Messglied 10 berührungslos arbeiten kann und sich eine vorteilhaft geringe Verschleißanfälligkeit ergibt.

Die Messfrequenz und somit die Frequenz des Wechselspannungssignals, ist eine Oberwelle der Frequenz der Versorgungswechselspannung, also ein ganzteiliges Vielfaches der Versorgungswechselspannung. Die Frequenzen des Wechselspannungssignals und der Versorgungswechselspannung können in einem großen Frequenzbereich weitgehend beliebig gewählt werden. Günstig ist es, die Frequenz der Versorgungswechselspannung im kHz-Bereich und die Frequenz des Wechselspannungssignals im MHz-Bereich zu wählen. Zu einem geringen Anteil wird von der zweiten Sendespule 2 stets auch ein Störsignal in den Empfangsspulen 7, 8 induziert, das die Frequenz der Versorgungswechselspannung hat. Indem die Frequenzen der Versorgungswechselspannung und des Wechselspannungssignals stark unterschiedlich gewählt werden, können entsprechende Störsignale leicht von dem eigentlichen Messsignal getrennt werden. Die Auswerteschaltung 6 enthält zu diesem Zweck einen geeigneten Filter.

Das Messsignal bzw. das von der Oszillatorschaltung erzeugte Wechselspannungssignal wird mit der Frequenz der Versorgungswechselspannung getriggert. Auf diese Weise kann die Auswerteschaltung das Messsignal durch seine zeitliche Lage zu der Frequenz der Versorgungswechselspannung eindeutig erkennen. Störeinflüsse können somit besser eliminiert und das Signalrauschverhältnis des Winkelsensors gesteigert werden.

Die asymmetrischen Empfangsspulen 7, 8 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander orientiert. Beispielsweise kann auf diese Weise erreicht werden, dass bei einer Winkelstellung des Messglieds von 0° oder 180° die Stärke des in der Empfangsspule 7 induzierten Signals maximal ist, während die Stärke des in der Empfangsspule 8 induzierten Signals minimal ist. Bei einer Winkelstellung des Messglieds von 90° oder 270° ergibt sich dann eine minimale Stärke des Signals der Empfangsspule 7 und eine maximale Stärke des Signals der Empfangsspule 8. Selbstverständlich kann auch eine größere Anzahl von Empfangsspulen 7, 8 verwendet werden, um die Messgenauigkeit weiter zu verbessern.

Bezugszeichenliste

1
Erregerschaltung
2
Sendespule
3
Versorgerspule
4
Oszillatorschaltung
5
Sendespule
6
Auswerteschaltung
7
Empfangsspule
8
Empfangsspule
10
Messglied