DE102016219211A1

DE102016219211A1 - Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung, Elektromotor und Betätigungseinrichtung für eine Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102016219211A1
Application number: DE102016219211.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Dietrich; Wai-Wai BUCHET
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Also published as: DE112017005027A5; WO2018065002A1; JP2019536991A; JP6828148B2; EP3523608A1; CN109804224A; CN109804224B

Abstract

Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung mithilfe einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor und der Gebermagnet relativ zueinander bewegbar sind, wobei der GMR-Sensor und der Gebermagnet zunächst in einer ersten Bewegungsrichtung und nachfolgend in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung relativ zueinander bewegt werden, um eine hysteresebedingt zunächst nicht zuordenbare Position zuzuordnen, Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor und einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor mit dem Stator und der Gebermagnet mit dem Rotor verbunden ist, wobei eine absolute Winkelposition des Rotors mit einem derartigen Verfahren bestimmbar ist, und Betätigungseinrichtung für eine Reibungskupplung, wobei die Betätigungseinrichtung wenigstens einen derartigen Elektromotor aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung mithilfe einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor und der Gebermagnet relativ zueinander bewegbar sind. Außerdem betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor und einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor mit dem Stator und der Gebermagnet mit dem Rotor verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Betätigungseinrichtung für eine Reibungskupplung.
Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2016 211 802.1 ist ein Verfahren bekannt zur Ermittlung einer Umdrehungszahl eines um eine Drehachse drehenden Bauteils mit einem Magnetelement mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements vier Signalzuständen, wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Signalzustände jeweils eine Umdrehung ermittelt wird, wobei über den Verdrehwinkel zwei Signalzustände ununterscheidbar und zwischen den ununterscheidbaren Zuständen jeweils ein unterscheidbarer Schaltzustand erfasst werden, wobei aus zwei gegeneinander um die Drehachse um einen Verdrehwinkel ungleich Null verdrehten Multiturnsensoren eine Zuordnung einer Winkelposition des drehenden Bauteils eines ununterscheidbaren Signalzustands des einen Multiturnsensors durch Erfassung eines unterscheidbaren Signalzustands des anderen Multiturnsensors bestimmt wird.
Aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2016 212 173.1 ist ein Verfahren bekannt zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteils mit einem Magnetelement mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements zwei unterscheidbaren Halbbrückensignalen, wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale jeweils eine Umdrehung ermittelt wird, wobei mittels eines gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensors die Winkelposition des Bauteils in jeweils zwei Halbkreisen ermittelt wird und mittels des Multiturnsensors ermittelt wird, in welchem der Halbkreise die Ermittlung der Winkelposition erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Elektromotor zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Betätigungseinrichtung zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Verfahren kann zur absoluten Winkelbestimmung dienen. Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können relativ zueinander drehbar sein. Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können zunächst in einer ersten Drehrichtung und nachfolgend in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung relativ zueinander gedreht werden. Der GMR-Sensor kann zur Umdrehungszählung dienen. Der GMR-Sensor kann auch als Multiturnsensor bezeichnet werden.
Das Verfahren kann zur absoluten Wegbestimmung dienen. Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können relativ zueinander entlang einer Wegachse bewegbar sein. Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können zunächst in einer ersten Bewegungsrichtung entlang der Wegachse und nachfolgend in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung entlang der Wegachse relativ zueinander gedreht werden. Die Wegachse kann linear sein.
Der GMR-Sensor ist ein Sensor, der auf dem Giant-Magneto-Resistance-Effekt basiert. Der GMR-Sensor kann eine Spirale aufweisen. Die Spirale kann Spiralarme aufweisen. Die Spirale kann rautenförmig angeordnet sein. Der GMR-Sensor kann einen GMR-Schichtstapel aufweisen. Der GMR-Sensor kann eine Referenzschicht und eine Sensorschicht aufweisen. Ein Magnetisierungszustand der Sensorschicht kann veränderbar sein. Der GMR-Sensor kann einen Domänenwandgenerator aufweisen. Der Domänenwandgenerator kann an einem Ende der Spirale angeordnet sein. In dem Domänenwandgenerator können 180°-Domänen erzeugbar sein. Die Domänen können in die Spirale injizierbar und/oder wieder löschbar sein. Ein Magnetisierungszustand der Spiralarme kann unter Einfluss eines bewegten Magnetfelds veränderbar sein. Ein Magnetisierungszustand der Spiralarme kann veränderbar sein durch Bewegen eines Magnetfelds und der Spirale relativ zueinander. Eine Umdrehungsanzahl kann magnetisch speicherbar sein. Eine Bewegung kann auch ohne elektrische Spannungsversorgung erfassbar sein. Eine Bewegung kann auch ohne elektrische Spannungsversorgung speicherbar sein. Ein elektrischer Widerstandswert der Spirale kann von einem Magnetisierungszustand abhängig sein.
Bei einem Drehen des Gebermagnets und des GMR-Sensors relativ zueinander kann der GMR-Sensor mit einem drehenden Magnetfeld beaufschlagt sein. Der GMR-Sensor kann bezogen auf eine Umdrehung vier Signalzustände haben. Der GMR-Sensor kann eine Hysterese aufweisen. Hysteresebedingt können Signalzustände des GMR-Sensors abschnittsweise nicht unterscheidbar sein.
Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können um einen unter Berücksichtigung einer Bewegungsauflösung, insbesondere einer Winkelauflösung, des GMR-Sensors vorbestimmten Weg/Winkel relativ zueinander bewegt werden. Der GMR-Sensor kann eine Winkelauflösung von 90° aufweisen. Der GMR-Sensor und der Gebermagnet können ausgehend von einer zunächst nicht zuordenbaren Drehposition um ca. +/–45° relativ zueinander gedreht werden.
Der GMR-Sensor kann in Halbbrückenschaltung geschaltet sein. Es können jeweils drei unterscheidbare Signalpegel ausgebbar sein. Es können jeweils ein High-Pegel, ein Middle-Pegel und ein Low-Pegel ausgebbar sein. Signalzustände des GMR-Sensors können durch Kombinationen von Signalzuständen unterschiedlicher Halbbrücken unterscheidbar sein.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mit einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Der Elektromotor kann mithilfe einer elektrischen Kontrollvorrichtung kontrollierbar sein. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann ein Steuergerät sein. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann ein lokales Steuergerät sein. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann eine Rechenvorrichtung aufweisen. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann eine Speichervorrichtung aufweisen. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann wenigstens einen elektrischen Signaleingang aufweisen. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann wenigstens einen elektrischen Signalausgang aufweisen. Die elektrische Kontrollvorrichtung kann baulich und/oder funktional mit wenigstens einer weiteren elektrischen Kontrollvorrichtung signalleitend verbunden sein. Zur signalleitenden Verbindung kann ein Bussystem, wie CAN-Bus, dienen.
Der Elektromotor kann ein Gehäuse aufweisen. Der Stator kann gehäusefest angeordnet sein. Der Rotor kann in dem Gehäuse drehbar gelagert sein. Der Gebermagnet kann rotorseitig befestigt sein. Der GMR-Sensor kann statorseitig befestigt sein. Der Gebermagnet und der GMR-Sensor können einen Messspalt zur berührungslosen Umdrehungszählung und Absolutwinkelbestimmung begrenzen.
Der Elektromotor kann als Stellantrieb dienen. Der Elektromotor kann zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dienen. Der Elektromotor kann zum Betätigen eines automatisierten Schaltgetriebes, eines E-Gas, eines Ventilverstellers, eines Fensterverstellers, eines Sitzverstellers, eines Schiebedachverstellers, eines Spiegelverstellers und/oder eines Luftklappenverstellers dienen.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mit einer Betätigungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Die Betätigungseinrichtung kann eine hydrostatische Betätigungseinrichtung sein. Die Betätigungseinrichtung kann wenigstens einen Geberzylinder, wenigstens einen Nehmerzylinder und wenigstens eine zwischen dem wenigstens einen Geberzylinder und dem wenigstens einen Nehmerzylinder gebildete hydraulische Strecke aufweisen. Der wenigstens eine Elektromotor kann zum Beaufschlagen des wenigstens einen Geberzylinders dienen. Der wenigstens eine Nehmerzylinder kann der Reibungskupplung zugeordnet sein.
Die Reibungskupplung kann eine Einfachkupplung oder eine Doppelkupplung sein. Die Reibungskupplung kann zur Anordnung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs dienen. Der Antriebsstrang kann eine Antriebsmaschine aufweisen. Die Antriebsmaschine kann eine Brennkraftmaschine sein. Der Antriebsstrang kann eine Reibungskupplung aufweisen. Der Antriebsstrang kann ein Getriebe aufweisen. Das Getriebe kann ein Schaltgetriebe sein. Der Antriebsstrang kann wenigstens ein antreibbares Fahrzeugrad aufweisen. Die Reibungskupplung kann zur Anordnung zwischen der Antriebsmaschine und dem Getriebe dienen.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Ermittlung der Umdrehung mittels GMR-Multiturn ohne Winkelinformation. Die Ausgänge (Halbbrückensignale) des magnetoresistiven Multiturnsensors haben drei Status (high, middle, low). Je nach Position des Magnetes, sind vier mögliche „Kombinationen“ in einer Umdrehung erkennbar, aber durch die inhärente Hysterese des Sensors, kann der Status nicht eindeutig sein. Wenn das System es erlaubt, wird der Magnet ein bisschen gedreht, z.B. +/–45°, oder ein Kolben mit dem Magnet etwas bewegt, um den Hysteresebereich zu verlassen und dadurch die exakte Umdrehung (beispielsweise 1/4 Umdrehung) zu kennen.
Mit der Erfindung wird zusätzlich zu einer Umdrehungszählung eine Absolutwinkelbestimmung ermöglicht. Ein zusätzlicher Winkelsensor kann entfallen. Ein Bauaufwand wird reduziert. Eine Messgenauigkeit wird erhöht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 ein Diagramm mit Signalverläufen eines GMR-Sensors an Halbbrücken während eines drehenden Magnetfelds,
2 eine Ausschnittvergrößerung von Signalverläufen eines GMR-Sensors an Halbbrücken während eines drehenden Magnetfelds, und
3 ein Diagramm mit einem Signalverlauf und einem zugehörigen hysteresebehafteten Signalmuster eines GMR-Sensors an Halbbrücken bei einem im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn drehenden Magnetfeld.
1 zeigt ein Diagramm 100 mit Signalverläufen, wie 102, 104 eines GMR-Sensors an Halbbrücken während eines drehenden Magnetfelds. In dem Diagramm sind auf einer x₁-Achse, einer x₂-Achse und einer x₃-Achse Drehwinkel und auf einer y-Achse elektrische Spannungen aufgetragen. Die Signale 102, 104 können jeweils drei unterschiedliche Signalpegel, high, middle, low, annehmen. Während einer Umdrehung, entsprechend 360°, werden vier grundsätzlich unterscheidbare Signalpegelkombinationen 106, 108, 110, 112 der Signale 102, 104 durchlaufen. Die Signalpegelkombination 106 ist Signal 102 high/Signal 104 high. Die Signalpegelkombination 108 ist Signal 102 middle/Signal 104 high. Die Signalpegelkombination 110 ist Signal 102 low/Signal 104 high. Die Signalpegelkombination 112 ist Signal 102 middle/Signal 104 middle.
2 zeigt eine Ausschnittvergrößerung 200 von Signalverläufen 202, 204, wie Signalverläufe 102, 104 gemäß 1, eines GMR-Sensors an Halbbrücken während eines drehenden Magnetfelds. Im Detail zeigt sich, dass hysteresebedingt die Signalpegelkombination 208 Signal 202 middle/Signal 204 high kurzzeitig auch zu Beginn der Signalpegelkombination 212 Signal 202 middle/Signal 204 middle vorliegt. Damit ist eine Drehposition zunächst nicht zuordenbar. Um die Drehposition dennoch zuzuordnen wird das Magnetfeld um ca. 45° zurück gedreht, bis der Hysteresebereich 214 verlassen wird und die Drehposition zugeordnet werden kann.
3 zeigt ein Diagramm 300 mit einem Signalverlauf 302 und einem zugehörigen hysteresebehafteten Signalmuster eines GMR-Sensors an Halbbrücken bei einem im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn drehenden Magnetfeld.
In dem Diagramm sind auf x-Achsen x₁, x₂ und x₃ ein Drehwinkel über 1,5 Umdrehungen, entsprechend 540°, und auf einer y-Achse elektrische Spannungen aufgetragen. An der x₁-Achse ist der sinusförmige Signalverlauf 302 dargestellt, der sich aus dem Signalmuster des GMR-Sensors ergibt. An der x₂-Achse ist ein Signalmuster einer ersten Halbbrücke aufgetragen. Der Signalpegel der ersten Halbbrücke kann einen Low-Pegel 304, einen Middle-Pegel 306 und einen High-Pegel 308 aufweisen. An der x₃-Achse ist ein Signalmuster einer zweiten Halbbrücke aufgetragen. Der Signalpegel der zweiten Halbbrücke kann einen Low-Pegel 310, einen Middle-Pegel 312 und einen High-Pegel 314 aufweisen.
Bei einem im Uhrzeigersinn drehenden Magnetfeld ergibt sich das Signalmuster des GMR-Sensors mit ersten Signalpegeln, wie 316. Bei einem im Gegenuhrzeigersinn drehenden Magnetfeld ergibt sich das Signalmuster des GMR-Sensors mit zweiten Signalpegeln, wie 318. Bei einem Wechsel der Drehrichtung ergeben sich Hysteresebereiche, wie 320.
Bezugszeichenliste

100: Diagramm
102: Signal, Signalverlauf
104: Signal, Signalverlauf
106: Signalpegelkombination
108: Signalpegelkombination
110: Signalpegelkombination
112: Signalpegelkombination
200: Ausschnittvergrößerung
202: Signal, Signalverlauf
204: Signal, Signalverlauf
208: Signalpegelkombination
212: Signalpegelkombination
214: Hysteresebereich
300: Diagramm
302: Signalverlauf
304: Low-Pegel
306: Middle-Pegel
308: High-Pegel
310: Low-Pegel
312: Middle-Pegel
314: High-Pegel
316: erster Signalpegel
318: zweiter Signalpegel
320: Hysteresebereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016211802 [0002]
DE 102016212173 [0003]

Claims

Verfahren zur absoluten Positionsbestimmung mithilfe einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor und der Gebermagnet relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der GMR-Sensor und der Gebermagnet zunächst in einer ersten Bewegungsrichtung und nachfolgend in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung relativ zueinander bewegt werden, um eine hysteresebedingt zunächst nicht zuordenbare Position zuzuordnen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der GMR-Sensor und der Gebermagnet um einen unter Berücksichtigung einer Bewegungsauflösung des GMR-Sensors vorbestimmten Weg/Winkel relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der GMR-Sensor eine Winkelauflösung von 90° aufweist und der GMR-Sensor und der Gebermagnet ausgehend von einer zunächst nicht zuordenbaren Winkelposition um ca. +/–45° relativ zueinander gedreht werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der GMR-Sensor in Halbbrückenschaltung geschaltet ist und jeweils drei unterscheidbare Signalpegel (304, 306, 308, 310, 312, 314) ausgebbar sind.
Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor und einer Magnetsensorvorrichtung mit einem GMR-Sensor und einem Gebermagnet, wobei der GMR-Sensor mit dem Stator und der Gebermagnet mit dem Rotor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine absolute Winkelposition des Rotors mit einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 bestimmbar ist.
Betätigungseinrichtung für eine Reibungskupplung, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung wenigstens einen Elektromotor nach Anspruch 5 aufweist.