DE102016211802A1

DE102016211802A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Umdrehungszahl

Info

Publication number: DE102016211802A1
Application number: DE102016211802.1A
Authority: DE
Inventors: Paul Walden; Markus Dietrich; Wai-Wai BUCHET
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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. Um die Winkelposition des Magnetelements gegenüber eines einzelnen Multiturnsensors genauer erfassen zu können, wird 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 Zustands des anderen Multiturnsensors bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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.
Sogenannte Multiturnsensoren ermitteln eine absolute Anzahl eines um eine Drehachse drehenden Bauteils. Hierzu sind beispielsweise aus den Dokumenten WO 2015/038800 A1 , DE 10 2012 008 888 A1 und EP 2 549 237 A1 Multiturnsensoren bekannt, die auf Basis des GMR-Prinzips (Riesenmagnetowiderstand, giant magnetoresistance) arbeiten. Dies bedeutet, dass bei der Messung des Widerstands eines spiral- beziehungsweise schraubenförmig um eine Drehachse angeordneten elektrischen Leiters mit abwechselnd magnetisch und nicht magnetisch im Nanobereich ausgebildeten Abschnitten ein Unterschied des Widerstands bei der Magnetisierung durch ein im Bereich des Leiters verdrehten, an dem drehenden Bauteil aufgenommenen Magnetelement auftritt. Prinzipbedingt treten dabei pro Umdrehung zwei ununterscheidbare Signalzustände eines mittleren Widerstands auf, die sich mit einem Signalzustand hohen und niedrigen Zustands abwechseln, so dass eine Winkelauflösung über den Verdrehwinkel des Bauteils nur mit einer Auflösung von 360° ermittelt werden kann. Aus diesem Grund wird in den vorgenannten Dokumenten jeweils ein Multiturnsensor mit einem zusätzlichen Sensor, der den Verdrehwinkel absolut erfasst kombiniert.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Rotors eines Elektromotors eines Kupplungsbetätigungssystems bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit einem Multiturnsensor. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein einfach durchzuführendes Verfahren vorzuschlagen. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Umdrehungszahl eines drehenden Bauteils eines Kupplungsbetätigungssystems und ein Kupplungsbetätigungssystem mit diesen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 und die Vorrichtung des Anspruchs 3 gelöst. Die von dem Anspruch 3 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 3 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Ermittlung einer Umdrehungszahl eines um eine Drehachse drehenden Bauteils. Das Bauteil kann Teil eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer Reibungskupplung sein. Die Reibungskupplung wird dabei mittels eines axial verlagerbaren Betätigungsglieds, welches beispielsweise um die Drehachse angeordnet ist, betätigt, wobei das Betätigungsglied rotatorisch unter Zwischenschaltung eines Getriebes zur Wandlung der rotatorischen in eine translatorische Bewegung angetrieben wird. Beispielsweise kann der Antrieb mittels eines direkt auf das Betätigungsglied wirkenden Elektromotors vorgesehen sein.
An dem um die Drehachse drehenden Bauteil ist zumindest ein Magnetelement angeordnet, welches mit einem drehfest angeordneten Leiter mit mehreren abwechselnden, dünnen Schichten aus magnetischem und nichtmagnetischem Material in Wechselwirkung tritt. Der Leiter ist dabei spiralförmig um oder entlang der Drehachse angeordnet, so dass ein gemäß dem GMR-Prinzip arbeitender Multiturnsensor gebildet wird. Hierbei ändert sich aufgrund der magnetischen Beeinflussung des Leiters dessen Widerstand durch das drehende Magnetelement, so dass sich der elektrische Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel des Magnetelements und damit des Bauteils ändert und abhängig von der Anzahl sich wiederholender Änderungen die Anzahl der Umdrehungen ermittelt werden kann. In alternativen Ausführungsformen können der Leiter drehend am Bauteil und das Magnetelement drehfest angeordnet sein.
Bei einer Verdrehung des Leiters gegenüber dem Magnetelement treten pro Umdrehung sich über den Verdrehwinkel abwechselnde Signalzustände auf, von denen zwei mittleren Widerstands ununterscheidbar und zwei Signalzustände hohen und geringen Widerstands voneinander unterscheidbar sind. Dabei wechseln sich unterscheidbare und ununterscheidbare Signalzustände ab. Desweiteren sind die Signalverläufe des Sensordrahts hysteresebehaftet, so dass eine Winkelauflösung des Multiturnsensors auf ca. 360° begrenzt sein kann, da erst eine ganze Umdrehung Sicherheit bringt, an welchem der beiden ununterscheidbaren Signalzustände sich das drehende Bauteil gegebenenfalls befindet.
Um die Winkelauflösung der Vorrichtung in vereinfachter Weise und ohne zusätzliche absolute, den Verdrehwinkel erfassende Sensoren zu verbessern, wird vorgeschlagen, 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 Zustands des anderen Multiturnsensors zu bestimmen. Die bedeutet, dass ein Verdrehwinkel der beiden Leiter um die Drehachse so erfolgt, dass ein ununterscheidbarer Signalzustand eines ersten Multiturnsensors und ein unterscheidbarer Signalzustand eines zweiten Multiturnsensors sich über den Verdrehwinkel überschneiden. Auf diese Weise können ausreichende Winkelauflösungen kleiner 180° erzielt werden. Es versteht sich, dass zur weiteren Erhöhung der Winkelauflösung bei tolerierbarem höherem Aufwand auch mehr als zwei Multiturnsensoren beispielsweise ineinander geschachtelt vorgesehen sein können.
Zwischen den Signalzuständen können Hysterese oder andere Effekte auftreten, die eine exakte Zuordnung der Signalzustände und einen Übergang zwischen den Signalzuständen verschlechtern. Es werden daher in den beiden Multiturnsensoren über den Verdrehwinkel hysteresefreie und hysteresebehaftete Signalbereiche definiert. Hierbei hat es sich gezeigt, dass sich bei einem Winkelversatz der Multiturnsensoren von ca. 45° die hysteresefreien Signalbereiche eines Multiturnsensors mit den hysteresebehafteten Signalbereichen des anderen Multiturnsensors überdecken oder zumindest überschneiden, so dass jeweils hysteresefreie Signalbereiche zumindest eines Multiturnsensors zur Verfügung stehen.
Die Auswertung der Sensorsignale wie Widerstände erfolgt in vorteilhafter Weise durch Erfassen der beiden Sensorsignale der beiden Multiturnsensoren abhängig von der eingestellten oder sich einstellenden Winkelposition des Bauteils. Anschließend werden die Sensorsignale durch kreuzweise Beurteilung plausibilisiert. Dabei wird das Sensorsignal zur Bestimmung des Verdrehwinkels herangezogen, welches zumindest teilweise einem unterscheidbaren beziehungsweise weniger hysteresebehafteten Signalzustand zuzuordnen ist. Zur Bestimmung der Umdrehungszahl können ein oder in redundanter Weise beide Multiturnsensoren ausgewertet werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung dient der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens und enthält zumindest zwei um einen vorgegebenen Verdrehwinkel größer Null verdrehte Multiturnsensoren mit einem Magnetelement und jeweils einem entlang der oder um die Drehachse spiralförmig beziehungsweise schraubenförmig angeordneten Leiter mit über dessen Erstreckung abwechselnd gepolten Leiterabschnitten. Zur Vereinfachung des Aufbaus können die Leiter der zumindest zwei Multiturnsensoren ineinander geschachtelt ausgebildet sein. Dem drehenden Bauteil können ein oder mehrere Magnetelemente zugeordnet sein. Die Leiterabschnitte sind in bevorzugter Weise bezüglich ihrer Polung um einen vorgegebenen Verdrehwinkel ungleich Null gegeneinander versetzt.
Der Verdrehwinkel beträgt in vorteilhafter Weise zwischen 30° und 60°, bevorzugt 45°. Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen schematisch dargestellten, um eine Drehachse angeordneten Multiturnsensor,
2 einen gegenüber dem Multiturnsensor der 1 um einen Verdrehwinkel versetzt angeordneten Multiturnsensor in derselben Darstellung,
3 die Signalzustände des Multiturnsensors der 1 mit Hysteresebereichen
und
4 die Signalzustände des Multiturnsensors der 2 mit Hysteresebereichen.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung den um die Drehachse d angeordneten Multiturnsensor 1 mit dem schematisch dargestellten, in dem Quadranten IV angeordneten Leiter 2. Bei einer Verdrehung eines nicht dargestellten Bauteils mit einem Magnetelement um die Drehachse d treten aufgrund des GMR-Effekts an dem Leiter 2 unterschiedliche Signalzustände 3, 4, 5, 6 auf, nämlich in Quadrant I ein Signalzustand 4 mittleren Widerstands, in Quadrant II ein Signalzustand 5 niedrigen Widerstands, in Quadrant III ein vom Signalzustand 4 des Quadranten I ununterscheidbarer Signalzustand 6 und in Quadrant IV ein Signalzustand 3 hohen und damit vom Widerstand des Signalzustands 5 im Quadranten II unterscheidbaren Widerstands auf. Aufgrund der Anzahl der auftretenden Signalzustände 3, 4, 5, 6 kann die Anzahl der Umdrehungen des um die Drehachse d drehenden Bauteils ermittelt werden. Befindet sich das Magnetelement des Bauteils in einem der Quadranten I oder III kann bei variabler Drehrichtung eine eindeutige Winkelauflösung erst bei einer vollen Umdrehung des Bauteils mit Gewissheit ermittelt werden. Es wird daher einer Vorrichtung vorgeschlagen, bei dem mit dem ersten Multiturnsensor 1 der 1 der zweite, in 2 dargestellte Multiturnsensor 1a, um den Verdrehwinkel α = 45° um die Drehachse d versetzt mit dem Leiter 2a kombiniert ist. Der Multiturnsensor 1a weist den Leiter 2a auf dem positiven Ast der Y-Achse auf. Demnach ergeben sich die ununterscheidbaren Signalzustände 4a, 6a mittleren Widerstands um beide Richtungen der X-Achse, der Signalzustand 3a mit hohem Widerstand um den positiven Ast der Y-Achse und der Signalzustand 5a mit niedrigem Widerstand um den negativen Ast der Y-Achse. Bei der Auswertung beider Multiturnsensoren 1, 1a können daher ungeachtet von Hystereseerscheinungen jedem Winkelbereich unterscheidbare, sich überlappende Signalzustände 3, 3a, 4, 4a, 5, 5a, 6, 6a ausgewertet werden. Befindet sich bei beispielsweise stehendem Bauteil das Magnetelement an einer vorgegebenen Winkelposition, kann daher durch Auswertung beider Multiturnsensoren 1, 1a innerhalb von Verdrehwinkeln von 180° eine eindeutige Position des Bauteils ermittelt werden.
Die 3 und 4 zeigen die Multiturnsensoren 1, 1a unter Berücksichtigung der zwischen den Signalzuständen 3, 3a, 4, 4a, 5, 5a, 6, 6a auftretenden Hysterese. Hierbei wird der auswertbare Verdrehwinkel der hysteresefreien Signalbereiche 7, 7a, 8, 8a, 9, 9a, 10, 10a der Signalzustände 3, 3a, 4, 4a, 5, 5a, 6, 6a durch hysteresebehaftete Signalbereiche 11, 11a, 12, 12a, 13, 13a, 14, 14a eingeschränkt. Durch die Überlagerung der hysteresefreien Signalbereiche 7, 7a, 8, 8a, 9, 9a, 10, 10a beider Multiturnsensoren 1, 1a steht eine hysteresefreie Signalerfassung über den gesamten Verdrehwinkel zur Verfügung.
Bezugszeichenliste

1: Multiturnsensor
1a: Multiturnsensor
2: Leiter
2a: Leiter
3: Signalzustand
3a: Signalzustand
4: Signalzustand
4a: Signalzustand
5: Signalzustand
5a: Signalzustand
6: Signalzustand
6a: Signalzustand
7: Signalbereich
7a: Signalbereich
8: Signalbereich
8a: Signalbereich
9: Signalbereich
9a: Signalbereich
10: Signalbereich
10a: Signalbereich
11: Signalbereich
11a: Signalbereich
12: Signalbereich
12a: Signalbereich
13: Signalbereich
13a: Signalbereich
14: Signalbereich
14a: Signalbereich
d: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/038800 A1 [0002]
DE 102012008888 A1 [0002]
EP 2549237 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Umdrehungszahl eines um eine Drehachse (d) drehenden Bauteils mit einem Magnetelement mittels zumindest eines gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensors (1) mit einem spiralförmig entlang der oder um die Drehachse (d) angeordneten elektrischen Leiter (2) mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements vier Signalzuständen (3, 4, 5, 6), wobei zur Erfassung der Umdrehungszahl der Widerstand des Leiters (2) über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Signalzustände (3, 4, 5, 6) jeweils eine Umdrehung ermittelt wird, wobei über den Verdrehwinkel zwei Signalzustände (4, 6) ununterscheidbar und zwischen den ununterscheidbaren Zuständen jeweils ein unterscheidbarer Schaltzustand (3, 5) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus zwei gegeneinander um die Drehachse (d) um einen Verdrehwinkel (α) ungleich Null verdrehten Multiturnsensoren (1, 1a) eine Zuordnung einer Winkelposition des drehenden Bauteils eines ununterscheidbaren Signalzustands (4, 4a, 6, 6a) des einen Multiturnsensors (1, 1a) durch Erfassung eines unterscheidbaren Signalzustands (3, 3a, 5, 5a) des anderen Multiturnsensors (1a, 1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Signalzuständen (3, 3, 4, 4a, 5, 5a, 6, 6a) der Multiturnsensoren (1, 1a) auftretende hysteresebehaftete Signalbereiche (11, 11a, 12, 12a, 13, 13a, 14, 14a) durch Winkelversatz der Multiturnsensoren (1, 1a) um die Drehachse (d) umgangen werden, indem an Winkelpositionen der hysteresebehafteten Signalbereiche (11, 11a, 12, 12a, 13, 13a, 14, 14a) des einen Multiturnsensors (1, 1a) hysteresefreie Signalbereiche (7, 7a, 8, 8a, 9, 9a, 10, 10a) des anderen Multiturnsensors (1, 1a) ausgewertet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei um einen vorgegebenen Verdrehwinkel (α) größer Null verdrehte Multiturnsensoren (1, 1a) mit einem Magnetelement und jeweils einem elektrischen Leiter (2, 2a) mit über den Verdrehwinkel abwechselnd gepolten Leiterabschnitten um die Drehachse (d) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (2, 2a) der zumindest zwei Multiturnsensoren (1, 1a) ineinander geschachtelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterabschnitte bezüglich ihrer Polung um einen vorgegebenen Verdrehwinkel ungleich Null gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehwinkel 45° beträgt.
Kupplungsbetätigungssystem mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6.
Kupplungsbetätigungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung eine Ermittlung einer Umdrehungszahl eines Elektromotors zur Betätigung eines Betätigungsglieds des Kupplungsbetätigungsglieds vorgesehen ist.