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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung eines
Drosselklappentellerwinkels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Induktive
Drehwinkelsensoren zum Ermitteln eines Drosselklappentellerwinkels
sind seit langem in unterschiedlicher Ausbildung und Anordnung bekannt.
Zu diesem Thema wurde bspw. der Artikel „Berührungslose, verschleißfreie Wegsensoren
in Kupplungs- und Bremssystemen" in
der ATZ 12/2002 veröffentlicht.
Insbesondere in der automatisierten Steuerung der Bewegungsabläufe von
Maschinen, bei denen die Drehwinkelposition von drehbeweglichen
Bauteilen, wie beispielsweise der Einstellnocken einer variablen
Ventilsteuerung eines Kfz-Kolbenmotors,
von Bedeutung ist, kann die jeweils aktuelle Position der betreffenden
Bauteile mittels induktiv und damit berührungslos und weitgehend verschleißfrei arbeitender
Drehwinkelsensoren ermittelt werden. Dabei müssen die Drehwinkelsensoren,
abhängig
von dem speziellen Anwendungsfall, unter Umständen hohe Anforderungen im
Hinblick auf Langlebigkeit und Robustheit gegenüber mechanischen Schwingungen,
Stößen, Temperaturschwankungen,
und Verschmutzung erfüllen.
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Bekannte
Drehwinkelsensoren arbeiten zumeist nach dem Wirbelstromprinzip.
Dabei besteht der Drehwinkelsensor aus einer feststehenden Spulenanordnung aus
mindestens zwei in Reihe geschalteten Messspulen mit einem mittleren
Spannungsabgriff und einem in der Nähe der Spulenanordnung berührungsfrei
angeordneten Positionsgeber, der aus einem hochleitenden Werkstoff,
wie z.B. Kupfer oder Aluminium, besteht und mit dem drehbaren Bauteil
starr verbunden ist. Durch die Versorgung der Spulenanordnung mit
einer Wechselspannung (Sinusspannung oder Rechteckspannung) wird durch
die Messspulen ein elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut, durch
das positionsabhängig in
dem Positionsgeber mehr oder weniger starke Wirbelströme induziert
werden. Hierdurch wird den beiden Messspulen zumeist in unterschiedlicher
Stärke Energie
entzogen, was zu einer unterschiedlichen scheinbaren Änderung
der Induktivitäten
der Messspulen und damit zu einer positions- bzw. drehwinkelabhängigen Spannungsamplitude
der Ausgangsspannung an dem mittleren Spannungsabgriff führt, die
zur Ermittlung der Drehwinkelposition des Positionsgebers und damit
des zugeordneten drehbeweglichen Bauteils ausgewertet werden kann.
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Nachteilig
ist an induktiven Drehwinkelsensoren, die nach dem Wirbelstromprinzip
arbeiten, dass sie bei einer Auslegung für niedrige Anregungsfrequenzen
im kHz-Bereich hohe
nominelle Induktivitäten
der Messspulen erfordern. Diese sind bei kompakter Bauweise durch
Messspulen zu erreichen, die eine hohe Anzahl von Spulenwindungen
aus einem Draht mit sehr kleinem Leitungsquerschnitt aufweisen,
womit aber nachteilig neben einer aufwendigen Herstellung eine relativ
geringe mechanische Robustheit verbunden ist. Um eine hinreichende
mechanische Stabilität
der Spulenanordnung zu erreichen, werden dann oftmals spezielle
Wickelkörper verwendet
und die Spulenanordnung mit speziellen Vergussmassen versehen, die
z.B. bei der Anwendung in Kfz-Motorsteuerungen mit Einsatztemperaturen
von bis zu 160 °C
entsprechend temperaturstabil sein müssen. Hierdurch erhöhen sich
die Herstellungskosten und der Vorteil einer kompakten Bauweise
geht zumindest teilweise verloren. Alternativ dazu kann ein entsprechender
induktiver Drehwinkelsensor auch mit einer Spulenanordnung aus Messspulen mit
niedriger Induktivität
aufgebaut sein. Hierbei können
die Messspulen aus wenigen Windungen aus Draht mit größerem Leitungsdurchmesser
oder sogar als gedruckte Leiterspulen und der zugeordnete Positionsgeber
als eine dünne leitfähige Scheibe
aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich
zwar ein relativ kompakter und robuster Drehwinkelsensor. Nachteilig
dabei sind jedoch hohe erforderliche Anregungsfrequenzen im MHz-Bereich, die
einen aufwendigen und teuren Oszillator zur Erzeugung der eingangsseitigen
Wechselspannung und einen entsprechenden Demodulationsschaltkreis
zur Positionsauswertung der Ausgangsspannung bedingen.
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Als
weitere Ausführungsform
ist beispielsweise ein nach dem Wirbelstromprinzip arbeitender Drehwinkelsensor
der Fa. Positek Ltd. bekannt, der eine Kombination beider vorgenannten
Bauarten darstellt. Dieser Drehwinkelsensor weist einen Positionsdetektor
in Form einer Spulenanordnung aus zwei in Reihe geschalteten weitgehend
identischen Messspulen auf, die jeweils spiralförmig in einem Winkelsektor
auf einer gehäusefest
normal zu einer Drehachse befestigten, unmagnetischen und nichtleitenden
Trägerscheibe
angeordnet sind, und einen Positionsgeber in Form von zwei aus einem
hochleitenden Werkstoff bestehenden, als Winkelsektorscheiben ausgebildeten
Sensorscheiben auf, die einander gegenüberliegend axial beidseitig
und parallel zu der Trägerscheibe
an einer mit dem drehbaren Bauteil verbundenen Trägerachse
befestigt sind. Dieser bekannte, relativ kompakte Drehwinkelsensor
erfordert aber nachteilig eine höhere
Anregungsfrequenz von mindestens 1 MHz und weist bei einer moderaten
mittleren Linearität
aufgrund starker Nichtlinearität
im Bereich der Endpositionen des Positionsgebers nur einen nutzbaren
Drehwinkelbereich von etwa 140° auf.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Ermittlung eines Drosselklappentellerwinkels zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung
mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Sensoranordnung
nach dem Permeabilitätsprinzip
wirksam ausgebildet ist, die Spulenanordnung Messspulen mit relativ
geringen Induktivitäten
aufweist und die Sensorscheiben aus einem weichmagnetischen Werkstoff
bestehen und über
ein weichmagnetisches Verbindungsstück der Trägerachse magnetisch miteinander
gekoppelt sind. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der
abhängigen
Ansprüche.
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Durch
die Ausbildung des Drehwinkelsensors nach dem Permeabilitätsprinzip
ergibt sich bei ähnlichem
geometrischen Aufbau zu dem bekannten Drehwinkelsensor der Fa. Positek
Ltd. eine höhere Empfindlichkeit
und eine bessere Linearität
bei niedrigeren Anregungsfrequenzen im Bereich von 30 bis 50 kHz.
Dabei wird die Empfindlichkeit der Spulenanordnung, d.h. die positionsabhängige Änderung
der Induktivitäten
der Messspulen, und damit der Ausgangsspannung durch die magnetische
Koppelung der beiden Sensorscheiben über das weichmagnetische Verbindungsstück wesentlich
erhöht.
Insgesamt ergibt sich über
den gesamten Drehwinkelbereich eine relativ gute Linearität zwischen
der Drehwinkelposition der Sensorscheiben und der Ausgangsspannung
an dem mittleren Spannungsabgriff. Demzufolge beträgt der nutzbare
Drehwinkelbereich des induktiven Drehwinkelsensors dann 180°, wenn die Messspulen
jeweils in einem Winkelsektor von 180° auf der Trägerscheibe angeordnet sind,
und die Sensorscheiben einen Flächenwinkel
von 180° aufweisen.
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Die
Verwendung dieses berührungslosen,
induktiven Sensors zur Ermittlung des Drosselklappentellerwinkels
ist besonders geeignet, da er sich durch eine kompakte und robuste
Bauweise auszeichnet.
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Vorzugsweise
ist der Positionsgeber mit einer Drosselklappenwelle als Drehachse
verbunden. Je nach Lage des Drosselklappentellers, das sich um die
Drosselklappenwelle dreht und wie der Positionsgeber ebenfalls fest
mit der Drosselklappenwelle verbunden ist, überdeckt der Positionsgeber
die Messspulen auf dem Positionsdetektor anders, was zu einer entsprechend
veränderten
Ausgangsspannung an dem mittleren Spannungsabgriff führt. Das
Signal wird an ein Steuergerät
weitergeleitet, wo es verarbeitet wird.
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Der
Positionsgeber ist vorteilhafterweise als Kreissegment-Scheibe ausgebildet.
Die Kreissegment-Scheibe ist derart ausgestaltet, dass bei einer maximalen
Drehung des Drosselklappentellers noch eindeutig die Position des
Drosselklappentellers gemessen werden kann.
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Die
Vorrichtung hat eine hohe Lebensdauer und das Gewicht des induktiven
Sensors ist relativ gering, wodurch die Vorrichtung erfindungsgemäß besonders
für den
Einsatz zur Bestimmung des Drosselkappentellers geeignet ist.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden, ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungen und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1: Den schematischen Aufbau
eines induktiven Drehwinkelsensors in einem radialen Längsschnitt,
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2: den Aufbau des Drehwinkelsensors nach 1 in zwei axialen Draufsichten
und
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3: den Aufbau des Drehwinkelsensors zur
Bestimmung des Drosselklappentellerwinkels.
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Ein
induktiver Drehwinkelsensor 1 gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 nach 1 und 2, der zur Ermittlung der
Drehwinkelposition eines drehbeweglichen Bauteils dient, umfasst
einen Positionsdetektor 2 in Form einer Spulenanordnung 3 aus
zwei in Reihe geschalteten, weitgehend identischen Messspulen 4 mit
einem zwischen den Messspulen 4 angeordneten mittleren
Spannungsabgriff 5 und einen in dem Magnetfeld der Spulenanordnung
3 um eine Drehachse 6 drehbeweglichen Positionsgeber 7.
Die Messspulen 4 sind jeweils spiralförmig in einem Winkelsektor
von vorliegend 180° auf
einer starr an einem Gehäusebauteil 8 normal
zu der Drehachse 6 befestigten, unmagnetischen und nichtleitenden
Trägerscheibe 9 angeordnet
und weisen mit entsprechend wenig Windungen eine relativ geringe Induktivität auf. Der
Positionsgeber 7 besteht aus zwei aus einem weichmagnetischen
Werkstoff bestehenden, als Winkelsektorscheiben von ebenfalls 180° ausgebildeten
Sensorscheiben 10, die einander gegenüberliegend axial beidseitig
und parallel zu der Trägerscheibe 9 an
einer mit dem drehbaren Bauteil (nicht abgebildet) verbundenen Trägerachse 11 befestigt
sind. Über
ein weichmagnetisches Verbindungsstück 12 der Trägerachse 11 sind
die beiden Sensorscheiben 10 magnetisch miteinander gekoppelt.
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Der
Drehwinkelsensor 1 funktioniert nach dem Permeabilitätsprinzip,
d.h. abhängig
von der Drehwinkelposition des Positionsgebers 7 relativ
zu der Spulenanordnung 3 werden die Induktivitäten der Messspulen 4 unterschiedlich
zueinander verändert, was
bei einer Anregung der Spulenanordnung 3 mit einer Wechselspannung,
deren Frequenz vorliegend im Bereich von 30 bis 50 kHz liegen kann,
zu einer entsprechend veränderten
Ausgangsspannung an dem mittleren Spannungsabgriff 5 führt, der
zur Ermittlung der aktuellen Drehwinkelposition ausgewertet werden
kann. Hierbei besteht bei dem vorliegenden Drehwinkelsensor 1 ein
hochlinearer Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung und der Drehwinkelposition
des Positionsgebers 7. Der nutzbare Drehwinkelbereich 13 beträgt, wie
in 2b angedeutet ist,
vorliegend 180° und
ist damit deutlich größer als
bei bekannten Drehwinkelsensoren, die nach dem Wirbelstromprinzip
arbeiten.
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In 3 ist der Aufbau des Drehwinkelsensors 1 zur
Bestimmung des Drosselklappentellerwinkels a dargestellt. Gleiche
Nummern in den Figuren weisen auf gleiche Elemente hin. Der in 1 und 2 beschriebene erfindungsgemäße induktive Drehwinkelsensor 1 ist
derart im Drosselklappensystem implementiert, dass der Drosselklappentellerwinkel
a gemessen werden kann. Der Positionsgeber 7, der hier
als Kreissegment-Scheibe 7a ausgebildet ist, ist fest mit
einer Drosselklappenwelle 22 verbunden. Die Kreissegment-Scheibe 7a ist
derart ausgestaltet, dass bei einer maximalen Drehung des Drosselklappentellers 21 noch
eine eindeutige Zuordnung der Spannung zum Drosselklappentellerwinkel
a vorgenommen werden kann. Ebenfalls fest verbunden mit der Drosselklappenwelle 22 ist
ein Drosselklappenteller 21, der durch einen Gassteller 20 gedreht
wird. Bei einer Drehung des Drosselklappentellers 21 dreht
sich die Kreissegment-Scheibe 7a mit.
Abhängig
von der Lage der Kreissegment-Scheibe 7a werden die Induktivitäten der
Messspulen 4 unterschiedlich zueinander verändert, was
bei einer Anregung der Spulenanordnung 3 mit einer Wechselspannung, deren
Frequenz vorliegend im Bereich von 30 bis 50 kHz liegen kann, zu
einer entsprechend veränderten Ausgangsspannung
an dem mittleren Spannungsabgriff 5 führt, der zur Ermittlung der
aktuellen Drosselklappentellerwinkels a ausgewertet werden kann.
Die Auswertung der Ausgangsspannung findet in einem Steuergerät 23 statt.