转子位置传感器和带有转子位置传感器的机动车辆转向系统
阅读说明：本技术 转子位置传感器和带有转子位置传感器的机动车辆转向系统 (Rotor position sensor and motor vehicle steering system with a rotor position sensor ) 是由 塔马斯·费耶什 罗兰·盖迈希 阿贝尔·维尔 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种转子位置传感器(10),用于确定电动机转子轴的角位置,其具有可以在端部固定到转子轴的发射器元件(11),该发射器元件具有至少一个居中布置的发射器磁体(12),并且具有至少一个可在电机轴的延伸上在电路载体(13)上与该发射器磁体(12)相对定位的磁场传感器,其形成用于输出根据发射器元件(11)的角位置的第一传感器信号,其中在该发射器元件(11)上设置至少一个在围绕发射器磁体(12)的周向上限定出的导电区域(15),用于与设置在电路载体(13)上的线圈系统(16)感应式共同作用,以根据发射器元件(11)的角位置生成第二传感器信号,此外本发明涉及用于机动车辆的转向系统,其具有根据发明的转子位置传感器(10)。(The invention relates to a rotor position sensor (10) for determining the angular position of a rotor shaft of an electric motor, having a transmitter element (11) which can be fixed at the end to the rotor shaft and which has at least one centrally arranged transmitter magnet (12) and at least one magnetic field sensor which can be positioned opposite the transmitter magnet (12) on a circuit carrier (13) over the extension of the motor shaft and which forms a first sensor signal for outputting a signal as a function of the angular position of the transmitter element (11), wherein at least one electrically conductive region (15) which is delimited in the circumferential direction around the transmitter magnet (12) is provided on the transmitter element (11) for inductively interacting with a coil system (16) which is provided on the circuit carrier (13) in order to generate a second sensor signal as a function of the angular position of the transmitter element (11), the invention further relates to a steering system for a motor vehicle, comprising a rotor position sensor (10) according to the invention.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于确定电动机的转子轴的角位置的转子位置传感器和根据权利要求10的前序部分的、具有转子位置传感器的用于机动车辆的转向系统。
背景技术
在电动机中，尤其是在多相无刷直流电动机中，换向优选通过转子位置传感器以传感器控制的方式进行，转子位置传感器确定电动机转子轴的角位置。已知的转子位置传感器基于磁式测量原理：至少一个以旋转固定方式与转子轴连接的磁体的磁场由磁场传感器，例如霍尔传感器、AMR或GMR传感器检测，并以转子位置信号的形式输出。这种转子位置传感器尤其用于机动车辆转向系统的电动机中，其提供电辅助转向力。
为了提高这种转子位置传感器的运行可靠性，从EP 2 752 645 A2已知，冗余地探测转子位置并提供适合于从冗余探测的转子位置信号中排除错误信号的错误检测系统。缺点是转子位置传感器尽管采用了冗余设计，但由于其测量原理，仍然容易受到例如出现在机动车辆中、尤其是来自载流线的杂散磁场的干扰。这个问题随着机动车辆，尤其是传动系统中的功率部件的电气化程度不断提高而增大。同时，由于汽车越来越多的自动驾驶，对转子位置传感器的运行安全性的要求也在增加。
从转向轴传感器领域，例如从DE 10 2009 027 191 A1，已知一种用于确定轴的扭矩和/或旋转角的装置，其具有与轴同心的、其上布置有至少两个导流的导体轨道区段的电路载体，以及与轴同心并且可相对于电路载体旋转的发射器元件，该发射器元件具有至少一个由导电材料制成的第一子区域和至少一个由非导电材料制成的子区域。当在轴上施加扭矩时，发射器元件相对于电路载体旋转，由此导体轨道区段的电感发生变化。不利的是，在所建议的传感器中，一旦要产生冗余的测量结果，测量范围就会减小，这需要附加的索引功能。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种用于机动车辆的转子位置传感器和转向系统，在紧凑且廉价的设计的同时，其功能和运行可靠性得以改进。
该目的通过具有权利要求1的特征的转子位置传感器和具有权利要求10的特征的机动车辆转向系统来实现。
由此得到了一种用于确定电动机转子轴的角位置的转子位置传感器，其具有可以在端部固定到转子轴的发射器元件，该发射器元件具有至少一个居中布置的发射器磁体，并且具有至少一个可在电机轴的延伸上在电路载体上与该发射器磁体相对定位的磁场传感器。该磁场传感器形成用于输出根据发射器元件的角位置的第一传感器信号。在该发射器元件上还设置至少一个在围绕发射器磁体的周向上限定出的导电区域，用于与设置在电路载体上的线圈系统感应式共同作用，以根据发射器元件的角位置生成第二传感器信号。
根据本发明的转子位置传感器配备有多样化的冗余。这种多样化的冗余基于在单个发射器元件上结合磁式和感应式测量原理来确定转子位置。用于生成第一和第二传感器信号的这两种测量原理基于不同的频率范围，从而将电磁杂散场干扰的风险降至最低。磁场传感器检测以发动机转速旋转的发射器磁体的磁场，而感应原理优选基于由线圈系统产生的MHz范围内的交变场。由此提高了功能和运行可靠性。
另外有利的是，磁式和感应式发射器在单个发射器元件上的节省空间的布置，其中感应式发射器的导电区域可以同时提供针对作用在磁场传感器上的杂散场的屏蔽。两种测量原理的分析电子装置都布置在唯一的电路载体上。发射器元件优选地设计为盘的形式。中心发射器磁体优选被在方位角方向上规则地间隔开的导电区域围绕。发射器磁体优选形成为相对磁化的盘状磁体。
转子位置传感器还可以包括用于分析第一和第二传感器信号的分析单元，该分析单元形成用于执行干扰场检测，并且如果传感器信号中的一个偏离预期的信号曲线，则在分析单元的输出处提供相应另一个传感器信号。错误识别例如可以通过分析与存储在分析单元中的预期信号曲线的相关性来进行。替代地或附加地，可以执行样板识别以识别传感器信号的信号曲线中的预期错误样式。
优选设置至少两个在周向上彼此间隔开的导电区域，并且线圈系统和磁场传感器分别具有至少两倍的冗余，来产生至少两个第一传感器信号和两个第二传感器信号。传感器系统的冗余可以通过双倍的两倍冗余增加到至少四倍冗余，这在未来的自动驾驶车辆有需求。由于总共有至少四个独立的测量信号，因此可以识别和丢弃故障信号。使用单一测量原理无法实现这种程度的冗余，或仅在尺寸明显更大的传感器中才实现这种程度的冗余。
在优选实施例中，线圈系统包括至少一个用于产生交变场的发射线圈和至少一个用于检测受发射器元件的至少一个导电区域局部影响的交变场的接收线圈。通过使用带有发射线圈和接收线圈的线圈系统，实现了对机械公差和温度波动不太敏感的感应测量原理。
在此，发射线圈产生交变磁场，其在接收线圈中感应出电压。感应电压取决于发射线圈和接收线圈之间的电感耦合，其受发射器元件上导电区域的影响。在导电区域中感应出涡流，这会局部削弱交变场。通过这样的方式，根据导电区域与接收线圈的重叠，在接收线圈中产生较低的感应电压。替代性地，代替感应电压或作为感应电压的附加，还可以测量接收线圈中感应的电流。
线圈系统可以具有与发射器元件的导电区域的数量相对应数量的接收线圈。因此，发射器元件的每个导电区域当前都分配有一个接收线圈，用于确定相应发射器元件的位置。
然而，接收线圈的数量也可以不同于导电区域的数量。尤其可以提供比导电区域更多数量的接收线圈。这提供了这样的优点，即，接收线圈当前的传感器信号彼此不同并且其组合清晰地编码当前角位置。此外，提高了传感器的角分辨率。
导电区域可以在其导电性和/或渗透性方面彼此不同。因此，各个区域可以与线圈系统配合产生不同强度的传感器信号。通过这种方式，可以在冗余电感测量中实现360°的测量范围。
至少两个接收线圈优选以旋转对称的形式布置在电路载体上。
接收线圈优选具有至少一个偏心地包围磁场传感器的匝。通过将磁场传感器布置在接收线圈的匝面内，减小了旋转的发射器磁体对接收线圈中感应电压的影响。磁体在线圈的匝面内旋转的情况下，通过该面的磁通几乎没有变化，从而减小对感应电压的影响。
发射线圈优选形成为围绕磁场传感器中心对称。以这种方式，产生了相对于电机轴轴对称的交变场，无论接收线圈的方位角布置如何，这都允许相同的电感耦合。然而，也可以想到具有多个发射线圈的线圈系统。例如，可以为每个接收线圈分配一个发送线圈，该发射线圈优选地形成为彼此一致。
在一些实施形式中，可以通过检测线圈系统的线圈取决于发射器元件的角位置的电感来生成第二传感器信号。这里，例如可以测量与导电区域重叠的线圈的自感或发射线圈和接收线圈之间的互感。
导电区域可以由软磁材料制成。这进一步改进了布置在中央的磁场传感器的磁屏蔽并因此改进了传感器对干扰影响的不敏感性。
该目的还通过一种用于机动车辆的转向系统来实现，该转向系统包括用于输入驾驶员转向请求的转向手柄、电动机，其转子轴与机动车辆的至少一个转向轮有效连接以根据驾驶员转向请求将转向扭矩施加到转向轮，以及如上所述的布置在转子轴上的转子位置传感器。
在以下说明和从属权利要求中可以得出本发明的进一步的设计方案。
附图说明
下面参考附图中所示的实施例更详细地解释本发明。
图1示意性地示出了具有根据本发明的转子位置传感器的转向系统的实施例，
图2示意性地示出了根据图1的实施例的转子位置传感器的结构，
图3示意性地示出了根据图1和图2的实施例的转子位置传感器的电路载体的结构，
图4示意性地示出了根据图1和图2的实施例的转子位置传感器的发射器元件的结构。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了根据本发明一个实施例的用于机动车辆的转向系统1的结构。图1中所示的转向系统1形成为电动机械式机动车辆助力转向装置。然而，根据本发明的转子位置传感器也可以用在具有电气产生的转向扭矩的任何其他转向系统中，尤其是在线控转向(Steer-by-Wire)的转向系统中，例如具有齿轮转向装置或单轮转向装置。
转向系统1包括附接到转向轴2的方向盘作为用于输入驾驶员转向请求的转向手柄3、电动机7，该电动机的转子轴与机动车辆的两个转向轮9有效连接(图1中仅示出了一个转向轮9)，用于根据驾驶员的转向请求为转向轮9施加转向扭矩，以及布置在电动机7的转子轴上的转子位置传感器10。驾驶员的转向请求可通过布置在转向轴2上的转向轴传感器4探测，必要时与其它输入变量一起以电子方式处理并馈送到电动机7。
在所示的电动机械式机动车辆助力转向系统中，驾驶员的转向请求额外地通过转向轴2和转向传动装置5机械地传递到齿条6，该齿条的位移通过转向横拉杆8传递到转向轮9。电动机7向齿条6施加辅助转向扭矩。替代性地，电动机7也可以布置在转向轴2的区域内，并且将辅助转向力矩引入转向轴2。
图2示出了根据图1的转子位置传感器10的详细图示。转子位置传感器10用于确定电动机7的转子轴的角位置。为此，发射器元件11固定到转子轴的末端。在该实施例中，发射器元件11形成为圆盘的形状并且优选在其中心点固定在转子轴上。在电机轴上的固定部设置在发射器元件11的背离电路载体13的一侧上。
发射器元件11具有居中布置的发射器磁体12。发射器磁体12优选是磁化为相反极的盘状磁体。
转子位置传感器10还具有在电机轴的延伸上在电路载体13上与该发射器磁体12相对定位的磁场传感器14(参见图3)，其形成用于输出根据发射器元件11的角位置的第一传感器信号。为了评估和处理传感器信号，在电路载体上还布置有分析单元20。
磁场传感器可以形成为霍尔元件。然而，优选使用磁阻传感器，例如AMR或GMR元件。磁场传感器14优选形成用于确定由发射器磁体12产生的磁场的方向和取向。
在发射器元件11上，还有至少一个在围绕发射器磁体12的周向上限制出的导电区域15，用于与布置在电路载体13上的线圈系统16感应相互作用以产生取决于发射器元件11角位置的第二传感器信号。可以通过分析单元20激发线圈系统16以产生第二传感器信号。例如，线圈系统16可以与布置在分析单元20中的一个或多个谐振电路相互作用。
在所示的实施例中，发射器元件11具有多个一致的导电区域15，这些导电区域在周向上规则地彼此间隔开。尤其可设置四个导电区域15。
优选设置至少两个在周向上彼此间隔开的导电区域15，并且线圈系统16和磁场传感器14分别具有至少双重冗余以用于产生至少两个第一传感器信号和两个第二传感器信号。为此，磁场传感器14优选具有至少两个独立测量的传感器芯并且线圈系统16包含至少两个可独立激发的线圈。通过电感式和磁式测量原理的组合使用，转子位置传感器可以排除各种外部干扰场。
在图3中，示出了根据图1和2的转子位置传感器10的电路载体13，在其上布置了线圈系统16、磁场传感器14和分析单元20。线圈系统16具有用于产生交变场的发射线圈17和用于探测由发射器元件11的至少一个导电区域15(见图2)局部影响的交变场的多个接收线圈18。
发射线圈17优选形成为围绕磁场传感器14中心对称，例如圆形。发射线圈17可以布置在电路载体13的外边缘区域中，以便优化转子位置传感器10所需的安装空间。
线圈系统16优选具有与发射器元件11的导电区域15的数量相对应的多个接收线圈18。在所示的实施例中，接收线圈18和导电区域15的数量是四个。
接收线圈18旋转对称地布置在电路载体13上并且具有一个或多个封闭的匝19，其偏心地包围磁场传感器14。接收线圈18围绕磁场传感器14的匝19有助于磁场传感器14的电磁屏蔽。
例如，可以通过检测线圈系统16的线圈17、18的取决于发射器元件11角位置的电感来生成第二传感器信号。尤其地，可以测量在该接收线圈18中感应的电压来用作发射线圈17和接收线圈18之一的互感的量度。替代地或附加地，线圈系统18还可以测量单个线圈的自感，例如通过监控在该线圈中激发的振荡的频率。
在图4中，以俯视图示出了根据图1和图2的转子位置传感器10的发射器元件11。如已经说明的，发射器元件11具有中心的、磁化为相反极的发射器磁体12，在该发射器磁体周围布置有在方位角上彼此间隔开的导电区域15。导电区域15优选地通过非导电区域21彼此间隔开。非导电区域21也可以设计为导电板中的缺口。导电区域15优选地以圆环段的形状形成。
作为磁性发射器的发射器磁体12通过连接区段22以旋转固定的方式与作为感应发射器的导电区域15连接。连接区段22也可以部分地或完全地由导电材料制成。
导电区域15优选地由软磁材料制成，以提高磁场传感器14针对干扰场的磁屏蔽。连接区段22同样也可以由软磁材料制成。导电区域15和/或连接区段22也可以由顺磁或抗磁材料制成。
附图标记说明
1 转向系统
2 上转向轴
3 转向手柄
4 转向轴传感器
5 转向传动装置
6 齿条
7 电动机
8 转向横拉杆
9 转向轮
10 转子位置传感器
11 发射器元件
12 发射器磁体
13 电路载体
14 磁场传感器
15 导电区域
16 线圈系统
17 发射线圈
18 接收线圈
19 匝
20 分析单元
21 非导电区域
22 连接区段。
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