DE10333973A1

DE10333973A1 - Impulsgeberanordnung zur Bestimmung des Lagewinkels und der Drehzahl einer Maschine

Info

Publication number: DE10333973A1
Application number: DE2003133973
Authority: DE
Inventors: Barlas Turgay; Beqir Pushkolli; Alexander Seufert; Jochen Reiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen des Lagewinkels und der Drehzahl einer Maschine (1, 2), umfassend ein Impulsgeberrad (3) mit einer Zähnung (10-13) und mehrere Sensoren (7-9), die mit dem Impulsgeberrad (3) zusammenwirken. Die Sensoren (7-9) können besonders einfach ausgebaut werden, wenn die Zähnung (12, 13) an einer Seitenfläche (15) des Impulsgeberrades (3) angeordnet ist und wenigstens einer der Sensoren (7-9) mit dieser seitlichen Zähnung (12, 13) zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung des Lagewinkels und der Drehzahl einer Maschine, insbesondere eines Startergenerators, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Generatoren zur elektrischen Versorgung des Bordnetzes eingesetzt. Diese sind mit dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs mechanisch verkoppelt und werden von diesem im Generatorbetrieb angetrieben. Startergeneratoren sind darüber hinaus in der Lage, den Verbrennungsmotor motorisch anzutreiben und zu starten.
1 zeigt ein solches Motor-Generator-System, bei dem ein Generator 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 über einen Riemenantrieb 6 miteinander verkoppelt ist. In einem solchen System bilden die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 oder des Generators 1 und der Lagewinkel φ des Generators 1. wesentliche Kenngrößen für verschiedene Regelalgorithmen im Fahrzeug.
Der (elektrische) Lagewinkel des Generators 1 wird z.B. im Rahmen einer sogenannten feldorientierten Generatorregelung benötigt, um die 3-phasigen Generatorströme aus dem R-S-T-System in eine Längsspannung Ud und eine Querspannung Uq (d-q-System), und die Längs- und die Querspannung Ud bzw. Uq wieder zurück in das R-S-T-System zu transformieren. Der Lagewinkel wird daher auch als Transformationswinkel (oder Polradwinkel) bezeichnet.
Die Drehzahlinformation wird beispielsweise für Fahrdynamikregelungssysteme, wie z.B. ESP oder ABS benötigt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den elektrischen Lagewinkel eines Generators 1 mit Hilfe eines Polrades zu messen, das in der Regel an der Läuferwelle des Generators 1 angeordnet ist. Das Magnetfeld des Polrades wird dabei von einem Phasengeber detektiert, der nahe dem Polrad angeordnet ist.
Die Drehzahl des Verbrennungsmotors wird in der Regel mittels eines gezähnten Impulsgeberrades gemessen, das an der Kurbelwelle des Motors angeordnet ist. Ferner ist ein Drehzahlmesser vorgesehen, der nahe dem Geberrad angeordnet ist.

Diese Messanordnung mit einem Polrad zur Phasenbestimmung und einem zusätzlichen Impulsgeberrad zur Drehzahlbestimmung ist relativ aufwendig und teuer. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung zum Messen des Lagewinkels und der Drehzahl einer Maschine wesentlich zu vereinfachen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, sowohl den Lagewinkel als auch eine Drehzahl, insbesondere eines Starter-Generators, mittels eines einzigen Impulsgeberrades aufzunehmen, an dem mehrere Sensoren angeordnet sind. Das Impulsgeberrad hat vorzugsweise eine an einer seiner Seitenflächen angeordnete Zähnung (im folgenden als seitliche Zähnung bezeichnet), mit der wenigstens einer der Sensoren. zusammenwirkt. Die seitliche Zähnung hat den Vorteil, dass die Sensoren besonders leicht ein- und ausgebaut werden können. Bei einer umfangsseitigen Zähnung müsste das Gehäuse der Maschine entsprechend an die Sensoren angepasst werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Sensoren zur Messung des Lagewinkels und der Drehzahl vorgesehen, von denen wenigstens einer nach einem Differenz-Messprinzip, wie z.B. dem Differenz-Hall-Prinzip, arbeitet. Ein solcher Differenz-Sensor umfasst zwei Sensorelemente, die räumlich versetzt zueinander angeordnet sind. Aus der Differenz der einzelnen Signale dieser Sensorelemente, wie z.B. Hall-Plättchen, kann wiederum eine Information über den Lagewinkel erhalten werden.

Ein Teil der Sensoren mit der zugehörigen Auswerteeinheit kann beispielsweise ausschließlich zur Drehzahlmessung und ein anderer Teil der Sensoren ausschließlich zur Winkelmessung verwendet werden. D.h. es gibt einen Drehzahlsensor und einen Lagesensor (bestehend aus einem oder mehreren Sensoren), deren Signale separat ausgewertet werden. Vorzugsweise werden die Signale wenigstens eines Sensors jedoch sowohl zur Drehzahlmessung als auch zur Lagewinkelmessung verwendet. Die Sensorsignale (Impulssignale) werden in diesem Fall vorzugsweise einer Auswerteeinheit zugeführt, die daraus beide Messgrößen bestimmt.

Die Sensoren sind vorzugsweise solche Sensoren, die ein impulsförmiges Messsignal ausgeben. Dies können beispielsweise Hall-Sensoren, magnetoresistive Sensoren oder induktive Sensoren sein.

Eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung einer erfindungsgemäßen Messanordnung ergibt sich, wenn sämtliche Sensoren zur Lagewinkel- und Drehzahlmessung mit der gleichen, vorzugsweise der seitlichen Zähnung zusammenwirken, Das Impulsgeberrad benötigt in diesem Fall keine umfangsseitige Zähnung.

Ein weiterer Kostenvorteil ergibt sich, wenn sämtliche Sensoren zur Lagewinkel- und Drehzahlmessung identisch aufgebaut sind. Der Lagewinkel und die Drehzahl werden in diesem Fall vorzugsweise aus den Messsignalen sämtlicher Sensoren ermittelt, wobei das Signal wenigstens eines der Sensoren sowohl zur Drehzahlmessung als auch zur Lagewinkelmessung verwendet wird.

Bei einer Anordnung von mehreren (n) identischen Sensoren, die mit derselben Zähnung zusammenwirken, sind die n-Sensoren vorzugsweise um einen elektrischen Winkel von etwa 360°/n zueinander versetzt angeordnet.

Die Anzahl der Zähne der seitlichen Zähnung entspricht vorzugsweise der Polpaarzahl der elektrischen Maschine. Bei einer Anordnung von beispielsweise drei Sensoren, die jeweils um 120° versetzt zueinander angeordnet sind, kann der Lagewinkel mit einer Genauigkeit von 60° elektrisch bestimmt werden, Ein Zahn entspricht in diesem Fall einem Pol der elektrischen Maschine bzw. 180° elektrisch.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensoren derart vorgesehen, dass neben der Drehzahl auch die Drehrichtung der elektrischen Maschine erfaßt werden kann. Hierzu können wenigstens zwei der Sensoren – eine gleichförmige Zähnung vorausgesetzt – derart angeordnet sein, dass die Impulse nicht gleichzeitig oder in gleichen Abständen auftreten.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat das Impulsgeberrad sowohl eine engere als auch eine weitere Zähnung, wobei wenigstens einer der Sensoren mit der engeren Zähnung und einer der Sensoren mit der weiteren Zähnung zusammenwirkt. Die Zähnungen sind vorzugsweise beide seitlich oder seitlich und umfangsseitig angeordnet. Dabei hat eine der beiden Zähnungen vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches an Zähnen, wie die andere Zähnung. Einer der Sensoren, z.B. ein Differenz-Sensor, wirkt vorzugsweise mit der weiteren Zähnung zusammen und dient zur Bereichsbestimmung, d.h. zur Bestimmung, ob der Sensor einem Nordpol oder einem Südpol des Läufers gegenüberliegt. Die anderen Sensoren wirken vorzugsweise mit der engeren Zähnung zusammen und dienen vorzugsweise zur Verfeinerung der Auflösung des Lagewinkels. Nach der Initialisierung durch den Differenz-Sensor kann der Lagewinkel dann mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die von Weite der engeren Zähnung abhängt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung zur Lagewinkel- und Drehzahlbestimmung an einer elektrischen Maschine;
2 eine Messanordnung mit einem Impulsgeberrad gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Abwicklung des Läufers einer elektrischen Maschine und des Impulsgeberrades von 2; und
4 eine Messanordnung mit einem Impulsgeberrad gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Messanordnung zur Messung des Lagewinkels und der Drehzahl eines Startergenerators 1 in einem Fahrzeug. Der Startergenerator 1 ist über einen Riemen 6 mit dem Verbrennungsmotor 2 mechanisch verkoppelt, wobei der Riemen 6 über die Welle 4 des Startergenerators 1 und die Welle 5 des Verbrennungsmotors 2 läuft. An der Welle 4 des Startergenerators 1 ist ein Impulsgeberrad 3 angeordnet, das von mehreren Sensoren 7,8,9 (siehe 2) zur Messung des Lagewinkels und der Drehzahl erfaßt wird.
2 zeigt eine Messanordnung mit einem Impulsgeberrad 3 mit einer umfangsseitigen Zähnung 10,11 und einer seitlichen Zähnung 12,13. Die umfangsseitige Zähnung 10,11 wird von zwei Sensoren 7,8 erfaßt, die z.B. als sogenannte Single-Hall-Sensoren (mit einem Hall-Plättchen, im Gegensatz zu Differenz-Hall-Sensoren mit zwei Hall-Plättchen) realisiert sind. Die Sensoren 7,8 dienen zur Drehzahl- und Drehrichtungserfassung und zur Verfeinerung der Auflösung des Lagewinkels.
Beim Vorbeilaufen eines Zahns 10 erzeugen die Sensoren 7,8 jeweils einen Impuls, der von einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) ausgewertet wird. Wenn die Sensoren – eine gleichförmige Zähnung 10,11 vorausgesetzt – derart angeordnet sind, dass die Impulse nicht gleichzeitig oder in gleichen Abständen auftreten, kann die Drehrichtung bestimmt werden.
Die seitliche Zähnung 12,13 wird von einem Phasengeber 9 zur Bestimmung des Lagewinkels (Transformationswinkels) erfaßt. Der Phasengeber 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Differenz-Hall-Sensor realisiert, der zwei Hall-Plättchen als Sensorelemente aufweist und nach dem Differenz-Hall-Prinzip arbeitet.
Der Phasengeber 9 wirkt mit einer zweispurig ausgebildeten seitlichen Zähnung 12,13 zusammen, deren Spuren um 180° (elektrisch) in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. In Radialrichtung betrachtet liegt somit immer eine Lücke 13 einem Zahn 12 gegenüber.
Der Phasengeber 9 erfaßt beide Spuren der seitlichen Zähnung 12,13 und ist somit in der Lage, aus dem Differenzsignal zu erkennen, unter welchem Pol (Nordpol oder Südpol) sich der Sensor 9 im Stillstand (n=0) befindet. Somit ist auch im Stillstand des Startergenerators 1 bzw. Verbrennungsmotors 2 die Polinformation bekannt. Der Startergenerator 1 kann dadurch bereits zu Beginn einer Startphase das maximal mögliche Drehmomen+t aufbringen.
Die Sensoren 7,8 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass auch die Drehrichtung des Impulsgeberrades 3 erfasst wird. Hierzu sind die Sensoren 7,8 so angeordnet, dass deren Impulse, die sie jeweils beim Vorbeilaufen eines Zahns 10 ausgeben, nicht gleichzeitig oder in gleichen Abständen auftreten. Aus der zeitlichen Reihenfolge der Impulse läßt sich somit die Drehrichtung bestimmen.
Die beiden Sensoren 7,8 können auch in einer baulichen Sensoreinheit mit zwei Sensorelementen realisiert sein.
3 zeigt in der oberen Hälfte eine Abwicklung des Läufers des Startergenerators 1 und in der unteren Hälfte eine Abwicklung der zweispurigen seitlichen Zähnung 12,13 des Impulsgeberrades 3. Wie zu erkennen ist, hat der Läufer mehrere abwechselnd angeordnete Pole 16 mit entgegengesetzter Polarität (Nordpol und Südpol). Jede der Spuren umfasst gleichmäßig angeordnete Zähne 12 und Lücken 13, wobei die Spuren um 180° elektrisch in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Die Anzahl der Zähne 12 entspricht dabei der Anzahl der Polpaare des Startergenerators 1. Ein Pol N oder S entspricht einem elektrischen Winkel von 180°. Mit einem Phasengeber 9, der beide Spuren der seitlichen Zähnung 12,13 abtastet, kann somit festgestellt werden, unter welchem Pol sich der Sensor 9 befindet.
4 zeigt eine Messanordnung mit einem anderen Impulsgeberrad 3, das zu Zwecken der Drehzahl- und Lagewinkelmessung ausschließlich eine zweispurige seitliche Zähnung 12,13 aufweist. Eine umfangsseitige Zähnung 10,11 ist in diesem Fall nicht vorgesehen. Das Impulsgeberrad 3 ist. vorzugsweise magnetisch.
Die Messanordnung von 4 umfasst drei Sensoren 7,8,9, die alle mit der seitlichen Zähnung 12,13 zusammenwirken. Die Sensoren sind vorzugsweise alle identisch und können beispielsweise als Single- oder Differenz-Hall-Sensoren realisiert sein. Im vorliegenden Fall handelt es sich um Differenz-Hall-Sensoren, die mit der zweispurigen seitlichen Zähnung 12,13 zusammenwirken.
Die Sensoren 7,8,9 sind um 120° elektrisch zueinander versetzt angeordnet. Alle 60° elektrisch wird somit von einem der Sensoren 7,8,9 ein Impuls erzeugt, der von einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) ausgewertet werden kann. Die Sensoren 7,8,9 sind außerdem derart angeordnet, dass sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung des Impulsgeberrades 3 erfaßt werden kann. Die Drehzahl, Drehrichtung und der Lagewinkel werden aus den Messsignalen der Sensoren 7,8,9 ermittelt.
Dadurch, dass die Sensoren 7,8,9 seitlich, im Bereich der Projektion der Seitenfläche 15 des Impulsgeberrades 3 angeordnet sind, können die Sensoren einfach ein- und ausgebaut werden.
Die Impulssignale der Sensoren 7,8,9 werden von einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) ausgewertet und somit der Lagewinkel und die Drehzahl bestimmt.

1: Startergenerator
2: Verbrennungsmotor
3: Zahnrad
4: Generatorwelle
5: Motorwelle
6: Riemen
7: Drehzahlfühler
8: Drehzahlfühler
9: Phasengeber
10: Zahn
11: Lücke
12: Zahn
13: Lücke
15: Seitenfläche
16: Magnetpole

Claims

Messanordnung zum Messen der Drehzahl und des Lagewinkels einer Maschine (1,2), umfassend ein Impulsgeberrad (3) und mehrere Sensoren (7-9), die mit dem Impulsgeberrad (3) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Sensoren (7,9) zur Messung des Lagewinkels als auch der Drehzahl mit dem selben Impulsgeberrad (3) zusammenwirken.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsgeberrad (3) wenigstens eine Zähnung (12,13) aufweist, die an einer Seitenfläche (15) des Impulsgeberrades (3) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Sensoren (7-9) zur Lagewinkel- und Drehzahlmessung mit der bzw. den an der Seitenfläche (15) angeordneten Zähnungen (12,13) zusammenwirken.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Sensoren (7-9) nach dem Differenz-Hall-Prinzip arbeitet.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren (7-9) zur Lagewinkel- und Drehzahlmessung identisch aufgebaut sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal wenigstens eines der Sensoren (7-9) sowohl zur Bestimmung des Lagewinkels als auch zur Bestimmung der Drehzahl ausgewertet wird.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von n-Sensoren (7-9), die mit derselben Zähnung (12,13) zusammenwirken, die Sensoren (7-9) um 360°/n elektrisch zueinander versetzt an der Seitenfläche (15) des Impulsgeberrades (3) angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Seitenfläche (15) angeordnete Zähnung (12,13) mit der Anzahl der Pole (16) einer elektrischen Maschine übereinstimmt.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsgeberrad (3) eine zweispurige seitliche Zähnung (10,11) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Sensoren (7-9) derart angeordnet sind, dass aus der Reihenfolge der von ihnen abgegebenen Messimpulse die Drehrichtung des Impulsgeberrades (3) ermittelt werden kann.
Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7-9) derart angeordnet sind, dass die von den Sensoren abgegebenen Messimpulse nicht gleichzeitig oder in gleichen Abständen auftreten.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Impulsgeberrad (3) eine umfangsseitige Zähnung (10,11) und eine seitliche Zähnung (12,13) aufweist, wobei wenigstens ein Sensor (7,8) mit der umfangsseitigen Zähnung (10,11) und wenigstens ein anderer Sensor (9) mit der seitlichen Zähnung (12,13) zusammenwirkt.
Messanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass umfangsseitig wenigstens zwei Sensoren (7,9) zur Messung der Drehzahl und der Drehrichtung des Impulsgeberrades als auch zur Verfeinerung der Auflösung des Lagewinkels angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7-9) Hall-Sensoren, magnetoresistive Sensoren oder induktive Sensoren sind.