DE102005055846A1 - Sensorsystem zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels einer sich drehenden Welle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels einer sich drehenden Welle mit zumindest einem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) und zumindest zwei Hallzellen (4, 5) für eine differenzielle Hallmessung bei einer Relativbewegung zwischen dem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) und den Hallzellen (4, 5). Das erfindungsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hallzellen (4, 5) in demselben radialen Abstand von der Drehachse (A) der Welle angeordnet sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels einer sich drehenden Welle, insbesondere einer Welle, die sich in einem Kraftfahrzeug befindet. Das Sensorsystem umfasst zumindest ein Hallsignal-Geberelement und zumindest zwei Hallzellen für eine differenzielle Hallmessung bei einer Relativbewegung zwischen dem Hallsignal-Geberelement und den Hallzellen.
• Bei modernen Motormanagementsystemen von Kraftfahrzeugen werden Sensorsysteme für die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit und des Drehwinkels sowie ggf. der Winkelbeschleunigung an der Nockenwelle und der Kurbelwelle von Diesel- und Ottoaggregaten verwendet. Aufgrund der hohen Anforderungen an Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit unter widrigen Umweltbedingungen werden üblicherweise magnetfeldbasierende Sensoren eingesetzt.
• Bekannt sind z.B. Multipol-Gebersysteme mit einer absoluten Hall-Sensorik, einer differenziellen Hall-Sensorik oder einer MR-Sensorik. Hierbei erzeugt das Multipol-Geberrad durch seine speziell codierte permanentmagnetische Schicht ein Magnetfeld, welches vom Sensor in ein elektrisch auswertbares Signal umgesetzt wird. Die Abtastung durch den Sensor erfolgt üblicherweise radial zum Multipol-Geberrad.
• Ferner sind ferromagnetische Geberräder in Verbindung mit einer absoluten Hall-Sensorik, einer differenziellen Hall-Sensorik oder einer MR-Sensorik bekannt. Bei diesen Systemen ist im Sensor ein Permanentmagnet integriert. Das Geberrad besitzt eine spezielle mechanische Form, so dass bei einer Drehbewegung ein magnetisches Wechselfeld im Sensorraum hervorgerufen und in ein elektrisch auswertbares Signal umgesetzt wird. Die Abtastung durch den Sensor erfolgt meist radial zum Geberrad. Bekannt sind jedoch auch Systeme mit axialer Abtastung.
• Schließlich gibt es ferromagnetische Geberräder mit Induktiv-Sensorik, wobei im Sensor ein Permanentmagret integriert ist. Das Geberrad besitzt in diesem Fall eine spezielle mechanische Form, so dass bei einer Drehbewegung ein magnetisches Wechselfeld beim Sensor hervorgerufen und durch Induktion eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird. Die Abtastung durch den Sensor erfolgt radial zum Geberrad.
• Bekannte Systeme mit ferromagnetischen Geberrädern und axialer Abtastung besitzen den Nachteil, dass die Drehposition, d.h. die Winkellage, nur sehr ungenau bestimmt wird. Es treten sehr große Fehler bei der Winkelbestimmung auf. Außerdem hat sich herausgestellt, dass die bekannten Systeme mit axialer Abtastung sehr empfindlich gegenüber Toleranzen hinsichtlich der radialen Lage der Hallzellen sind. Geringe Abweichungen der radialen Lage der Hallzellen führen zu sehr großen Fehlern bei der Bestimmung des Drehwinkels.
• Bekannte Sensorsysteme mit radialer Abtastung des Geberrads benötigen nachteilhafterweise relativ viel Bauraum, weshalb sie bei Kraftfahrzeugen zum Teil nicht eingesetzt werden können.
• In der DE 36 43 290 C2 ist eine Vorrichtung zur Wegbestimmung eines Kolbens in einem Zylinder beschrieben, bei welcher ein sich mit der Kolbenstange bewegender Hallsensor eingesetzt wird.
• In der DE 10 2004 029 483 A1 ist ein Drehsensor mit einem ringförmigen Magneten beschrieben, in dessen Ringraum ein Magnetfeldrichtungssensor angeordnet ist, dessen Ausgangssignal eine Funktion der Richtung des Magnetfelds ist.
• In der DE 102 19 473 B3 ist schließlich eine Messeinrichtung mit einem Hallsensor beschrieben, bei welcher der Hallsensor zentrisch und axial beweglich in einem Magnetrohr angeordnet ist, wobei das Magnetrohr je hälftig mit gegensätzlicher Polarität quermagnetisiert ist.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem der eingangsgenannten Art bereitzustellen, mit dem die Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehwinkel der sich drehenden Welle genau bestimmt werden kann, wobei der Bauraumbedarf des Sensorsystems gering sein sollte. Ferner sollte das Sensorsystem kostengünstig herstellbar sein.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hallzellen in demselben radialen Abstand von der Drehachse der Welle angeordnet sind. Es hat sich herausgestellt, dass die Anordnung der beiden Hallzellen für eine differenzielle Hallmessung in demselben radialen Abstand sehr viel genauere Messungen des Drehwinkels ermöglicht als Anordnungen, bei denen die beiden Hallzellen bei verschiedenen Radien positioniert sind. Außerdem ist diese Anordnung sehr viel unempfindlicher gegenüber Abweichungen der tatsächlichen Position der Hallzellen gegenüber einem Sollradius in radialer Richtung.
• Die differenzielle Hallmessung erzeugt beim Nulldurchgang der Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Hallzellen einen Impuls oder einen digitalen Zustandswechsel des Ausgangssignals. Durch die Differenzbildung ergibt sich ein sehr geringer Einfluss des Luftspaltes zwischen den Hallzellen und dem Hallsignal-Geberelement auf die Genauigkeit des Ausgangssignals.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorsystems sind mehrere Hallsignal-Geberelemente vorgesehen. Hierdurch kann die Genauigkeit beim Erfassen der Drehgeschwindigkeit und des Drehwinkels weiter erhöht werden, da die Hallzellen nicht nur einmal pro Umdrehung ein Signal erhalten, sondern jedes Mal, wenn ein Hallsignal-Geberelement die Hallzellen passiert.
• Die Hallsignal-Geberelemente befinden sich vorzugsweise im Wesentlichen in demselben radialen Abstand von der Drehachse wie die beiden Hallzellen. Sie sind somit auf einer Spur angeordnet. Dies ist möglich, da sich die beiden Hallzellen in demselben radialen Abstand von der Drehachse der Welle befinden. Bei Systemen, bei denen die beiden Hallzellen bei unterschiedlichen Radien angeordnet sind, müssen zumindest zwei Hallsignal-Geberelemente auf zwei Spuren mit unterschiedlichen Radien angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Sensorsystem kann daher kleiner ausgebildet sein, da nur eine Spur erforderlich ist. Da die Hallsignal-Geberelemente sich auf einer Spur befinden, d.h. denselben radialen Abstand von der Drehachse besitzen, ergibt sich sehr geringer Einfluss der radialen Positionsgenauigkeit der Hallzellen gegenüber den Geberelementen.
• Die Hallsignal-Geberelemente sind vorzugsweise zumindest alle 90° vorgesehen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist das Hallsignal-Geberelement oder sind die Hallsignal-Geberelemente von einer Aussparung oder mehreren Aussparungen in einem Geberrad gebildet. Das Geberrad besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material und ist drehfest mit der sich drehenden Welle verbunden. Aufgrund des Einsatzes eines ferromagnetischen Geberrades ist das erfindungsgemäße Sensorsystem sehr kostengünstig herstellbar, insbesondere ergibt sich ein Kostenvorteil gegenüber Sensorsystemen mit Multipoltechnik. Durch die massive Bauweise des Geberrades mit nur wenigen Aussparungen kann eine hohe Robustheit gegen mechanische Beanspruchungen sowohl im Betrieb als auch bei der Montage erzielt werden.
• Die Hallzellen des erfindungsgemäßen Sensorsystems tasten das Hallsignal-Geberelement bzw. die Hallsignal-Geberelemente axial ab. Eine solche axiale Abtastung ist insbesondere bei einem Einsatz bei Kraftfahrzeugen sehr vorteilhaft, da diese Anordnung wenig Bauraum beansprucht.
• Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem sind die Halleffektsignale der beiden Hallzellen genau dann identisch, wenn sich ein Hallsignal-Geberelement hinsichtlich der Winkellage mittig zwischen den beiden Hallzellen befindet. Auf diese Weise kann das Passieren des Hallsignal-Geberelements von den beiden Hallzellen sehr exakt bestimmt werden.
• Das erfindungsgemäße Sensorsystem kann insbesondere bei der Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Drehgeschwindigkeit und der Drehwinkel der Nockenwelle des Kraftfahrzeugs sehr viel genauer als bei herkömmlichen Sensorsystemen für die Nockenwelle bestimmt werden.
• Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorsystems umfasst dieses einen Speicher, in dem Toleranzdaten des Sensors gespeichert sind, der aus dem Hallzellen und dem Hallsignal-Geberelement gebildet ist. Diese Toleranzdaten können vorteilhafterweise unter bestimmten Betriebspunkten über den Signalausgang des Sensors ausgegeben werden. Die Toleranzdaten können z.B. nach Abschluss der Sensorherstellung mit einem Referenzgeberrad gemessen werden. Das Ergebnis dieser Messung wird dann in dem Speicher des Sensors elektronisch hinterlegt und in einem zu definierenden Zeitraum nach Anlegen der Betriebsspannung über das Sensorausgangssignal gesendet. Nachfolgende Auswertelektroniken, wie z.B. das Motorsteuergerät, können diesen Wert verwenden, um die reproduzierbaren Fehler des erfindungsgemäßen Sensorsystems zu kompensieren.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
• 1: zeigt schematisch eine Frontalansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensorsystems und
• 2: zeigt eine Seitenansicht dieses Ausführungsbeispiels.
• Das Sensorsystem besteht aus einem Sensor 3 und einem Geberrad 1. Das Geberrad 1 ist über eine in der Mitte liegende Öffnung drehfest mit einer sich drehenden Welle verbunden.
• Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Geberrad 1 mit der Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs verbunden.
• Das Geberrad 1 hat einen Radius von 60 mm und eine Materialstärke von 2 mm. Es besteht aus einem ferromagnetischen Material. In das Geberrad 1 sind Aussparungen 11 bis 17 ausgestanzt. Die Aussparungen 11 bis 17 sind im Wesentlichen trapezförmig und haben alle den gleichen radialen Abstand von der Drehachse A, die sich ergibt, wenn sich das Geberrad 1 mit der Welle dreht. Der mittlere Radius, auf dem sich die Aussparungen 11 bis 17 befinden, ist 50 mm. Die Winkelbreite der Aussparungen 11 bis 17 ist 8°. Die radiale Höhe der Aussparungen ist 10 mm. Der mittlere Radius ergibt sich aus der Differenz des Abstands der äußersten Kante der Aussparungen 11 bis 17 von der Achse A minus dem Abstand der inneren Kante von der Achse A.
• Zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit, des Drehwinkels und ggf. auch der Drehbeschleunigung des sich drehenden Geberrades 1 und damit der Welle ist der Sensor 3 ortsfest im gleichen Abstand von der Achse A vor dem Geberrad 1 angeordnet, wie die Aussparungen 11 bis 17. Der Sensor 3 tastet somit das Geberrad 1 axial ab.
• Der Sensor 3 umfasst zwei Hallzellen 4 und 5 für eine differenzielle Hallmessung bei einer Relativbewegung zwischen dem Geberrad 1 mit den Aussparungen 11 bis 17 einerseits und den Hallzellen 4 und 5 andererseits. Die Hallzellen 4 und 5 sind bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem in demselben radialen Abstand von der Drehachse A der Welle angeordnet. Wenn sich das Geberrad 1 dreht, passieren die Aussparungen 11 bis 17 somit bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn bei der Darstellung gemäß 1 zunächst die Hallzelle 4 und danach die Hallzelle 5.
• Hinter den Hallzellen 4 und 5 ist ein Permanentmagnet 6 angeordnet, so dass sich die Hallzellen 4 und 5 zwischen diesem Permanentmagneten 6 und dem Geberrad 1 befinden. Eine Drehung des Geberrades 1 mit den Aussparungen 11 bis 17 bewirkt, dass die Aussparungen 11 bis 17 das Magnetfeld des Permanentmagneten 6 beeinflussen. Der magnetische Fluss durch die Hallzellen 4 und 5 ändert sich, wenn eine Aussparung 11 bis 17 eine Hallzelle 4 und 5 passiert.
• Diese Änderung des magnetischen Flusses erzeugt in den Hallzellen 4 und 5 elektrische Spannungen. Die Differenz der Spannung der Hallzelle 4 und der Spannung der Hallzelle 5 erzeugt ein Signal, welches für eine eindeutige Bestimmung des Drehwinkels der abgetasteten Welle verwendet werden kann. Als Signal wird der Nulldurchgang der Differenz der beiden Spannungen der Hallzellen 4 und 5 verwendet. Befindet sich nämlich eine Aussparung 11 bis 17 genau mittig zwischen den beiden Hallzellen 4 und 5, ist die Spannung der beiden Hallzellen identisch, so dass die Differenz Null ist. Auf diese Weise kann man sehr genau bestimmen, dass eine der Aussparungen 11 bis 17 den Sensor 3 passiert hat. Der axial abtastende Sensor 3 erzeugt dann an seinem Signalausgang einen Schaltvorgang, wenn sich die Wirklinie des Sensors 3 mittig über einer der Aussparungen 11 bis 17 befindet. Das Vorzeichen des Schaltvorgangs (von „high" nach „low" oder von „low" nach „high") kann durch die Anordnung der Hallzellen 4 und 5 bestimmt werden.
• Die Drehgeschwindigkeit bzw. die Drehbeschleunigung kann aus der zeitlichen Abfolge der Schaltsignale bestimmt werden.
• Um bei einer Verwendung des Geberrades 1 mit einer Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs den Drehwinkel zumindest alle 90° bestimmen zu können, sind die Aussparungen 11 bis 14 äquidistant alle 90° auf dem Geberrad 1 angeordnet. Für eine weitere Auswertung sind noch zwischen den Aussparungen 11 und 12 die Aussparung 15 vorgesehen, zwischen den Aussparungen 12 und 13 die Aussparung 16 und zwischen den Aussparungen 13 und 14 die Aussparung 17.
• Ferner umfasst der Sensor 3 einen Speicher (nicht gezeigt), in dem Toleranzdaten des Sensors 3 gespeichert sind. Diese Toleranzdaten wurden bei der Herstellung- des Sensors 3 mittels eines Referenzgeberrades 1 bestimmt. Sie können an nochfolgende Auswertelektroniken übertragen werden, um die reproduzierbaren Fehler des Sensorsystems zu kompensieren.

1

Geberrad

2

Mittige Öffnung des Geberrads 1

3

Sensor

4

Hallzelle

5

Hallzelle

6

Permanentmagnet

11 bis 17

Aussparungen im Geberrad 1

A

Drehachse

Claims (12)

1. Sensorsystem zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels einer sich drehenden Welle mit zumindest einem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) und zumindest zwei Hallzellen (4, 5) für eine differenzielle Hallmessung bei einer Relativbewegung zwischen dem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) und den Hallzellen (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hallzellen (4, 5) in demselben radialen Abstand von der Drehachse (A) der Welle angeordnet sind.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hallsignal-Geberelemente (11 bis 17) vorgesehen sind.
3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsignal-Geberelemente (11 bis 17) sich im Wesentlichen in demselben radialen Abstand von der Drehachse (A) befinden, wie die beiden Hallzellen (4, 5).
4. Sensorsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest alle 90° ein Hallsignal-Geberelement (11 bis 14) vorgesehen ist.
5. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Hallsignal-Geberelement(e) (11 bis 17) von einer oder mehreren Aussparungen) in einem Geberrad (1) gebildet ist/sind.
6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (1) aus einem ferromagnetischen Material besteht.
7. Sensorsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberrad (1) drehfest mit der Welle verbunden ist.
8. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallzellen (4, 5) das Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) axial abtasten.
9. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hallzellen (4, 5) axial zwischen dem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) und einem Magneten (6) befinden.
10. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halleffektsignale der beiden Hallzellen (4, 5) genau dann identisch sind, wenn sich ein Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) hinsichtlich der Winkellage mittig zwischen den beiden Hallzellen (4, 5) befindet.
11. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle die Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs ist.
12. Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem einen Speicher umfasst, in dem Toleranzdaten des Sensors (3) gespeichert sind, der aus den Hallzellen (4, 5) und dem Hallsignal-Geberelement (11 bis 17) gebildet ist.