DE4128808A1 - Verfahren und anordnung zur beruehrungslosen, drehrichtungserkennenden drehzahlmessung an rotierenden ferromagnetischen teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen, drehrichtungserkennenden Drehzahlmessung an rotierenden ferromagnetischen Teilen. Es sind Anordnungen bekannt, die Verzerrungen des magnetischen Streufeldes eines oder mehrerer Permanentmagnete durch vorbeilaufende ferromagnetische Teile, z. B. durch den Zahn eines Zahnrades, unter Verwendung magnetfeldempfindlicher Bauelemente zur Drehzahlmessung bzw. zur Drehrichtungserkennung nutzen. Dabei befindet sich das magnetfeldempfindliche Bauelement auf der, dem bewegten ferromagnetischen Teil zugewandten Seite der Permanentmagnetanordnung (DE OS 34 26 704) und ist damit großen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Das ist von einigem Nachteil, da magnetfeldempfindliche Bauelemente, insbesondere magnetoresistive Bauelemente, temperaturabhängige Empfindlichkeiten aufweisen. Eine weitere Erfindung (DE OS 20 20 122) sieht vor unter Verwendung von nur einem Sensor, der jedoch zwei als Differentialgeber geschaltet, magnetfeldempfindliche Widerstände enthält, die Drehrichtungserkennung zu ermöglichen. Allerdings müssen die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände und die dazu in Reihe zueinander geschalteten Referenzwiderstände entlang des Umkreises des rotierenden ferromagnetischen Teils angeordnet und an die Geometrie des Zahnrades angepaßt werden. Um ein eindeutiges drehrichtungsanzeigendes Signal zu erhalten, müssen das signalauslösende Zahnrad und der Sensor hinsichtlich ihrer Geometrie aufeinander abgestimmt sein. Damit wird ein universeller Einsatz, insbesondere eine Nachrüstung vorhandener Anlagen mit Drehzahl- bzw. Drehrichtungsmeßtechnik, erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen, drehrichtungserkennenden Drehzahlmessung an rotierenden ferromagnetischen Teilen zu schaffen, die genannten Nachteile vermeidet, darüberhinaus universell einsetzbar und nachrüstbar ist und unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem magnetfeldempfindlichen Bauelement, das, angeordnet auf der Mittelachse hinter zwei axial magnetisierten, antiparallel in einem gewissen Abstand und Winkel zueinander befindlichen Permanentmagneten bei Vorbeilauf eines ferromagnetischen Teiles ein richtungsabhängiges Signal erzeugt wird. Das magnetfeldempfindliche Bauelement wird auf der, dem ferromagnetischen Teil abgewandten Seite der Permanentmagnete angeordnet. Bei Annäherung eines ferromagnetischen Teiles wird das magnetische Feld der beiden Permanentmagnete in dessen Richtung verzerrt ,wobei der magnetische Fluß durch das magnetfeldempfindlichen Bauelement bis zu dem Punkt stärker wird, an dem das ferromagnetische Teil direkt über dem ersten Permanentmagneten steht, danach abfällt und das Minimum zwischen beiden Permanentmagneten erreicht. Danach wiederholt sich der Funktionsverlauf über dem zweiten Permanentmagneten mit entgegengesetzter Polarität.

Die Verzerrung des magnetischen Feldes bei gleichzeitiger Veränderung der Stärke des magnetischen Flusses wird im magnet­ feldempfindlichen Bauelement in ein Spannungssignal umgewandelt. Je nach Richtung der Annäherung des ferromagnetischen Teiles wird vom magnetfeldempfindlichen Bauelement zuerst ein positiver oder negativer Impuls generiert, wodurch ein von der Drehrichtung abhängiges signifikantes Signal erzeugt wird. In der Auswerteelektronik erfolgt nach Trennung des Gleichanteils, der Verstärkung und der Triggerung des Signales die Auswertung der Impulszahl pro Zeiteinheit für die Ermittlung der Drehzahl und der Vergleich des Triggersignals mit dem Pausensignal für die Richtungserkennung. Dabei wird durch die Wahl der Triggerhysterese ein Triggersignal erzeugt, daß in Abhängigkeit von der Drehrichtung größer oder kleiner als das Pausensignal ist. Je nach Drehrichtung kann daraus z. B. ein statisches H- oder L-Signal gebildet werden.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung.

Fig. 2 zeigt den Funktionsverlauf der magnetischen Feldstärke ohne Einfluß eines ferromagnetischen Teiles 1.

Fig. 3 zeigt den Funktionsverlauf der Ausgangsspannung am magnet­ feldempfindlichen Bauelement 3 bei Vorbeilauf eines ferro­ magnetischen Teiles 1 und die Triggersignale bei Rechts- und Linkslauf.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung unter Verwendung eines magnetoresistiven Bauelementes 3, das mit der empfindlichen Fläche auf der Mittelachse zwischen zwei gleichen, axial magnetisierten, antiparallel in einem gewissen Abstand angeordneten Permanentmagneten 2a, 2b außerhalb des Zwischenraumes der beiden Permanentmagnete 2a, 2b angeordnet ist. Ohne Einfluß eines ferromagnetischen Teiles 1 ergibt sich auf der in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Achse ein, wie in Fig. 2 wiedergegebener, antisymmetrischer Funktionsverlauf der Komponenten H_xs und H_ys der magnetischen Feldstärke entlang der, auf die Vorspannrichtung (H_xs) und die empfindliche Richtung (H_ys) bezogenen Achsen. Dabei stellen die Kurven H_x1 und H_y1 den Funktionsverlauf zweier parallel und die Kurven H_x2 und H_y2 den Funktionsverlauf zweier in einem zweckmäßigen Winkel zueinander angeordneter Permanentmagnete 2a, 2b dar. Der Vergleich beider Funktionsverläufe zeigt,daß die Kurven H_x2 und H_y2 enger sind, wodurch eine höhere Auflösung von vorbeilaufenden, ferromagnetischen Teilen, aber eine geringere Entfernungsauflösung erzielt wird. Die Zweckmäßigkeit der in einem Winkel angeordneten Permanent­ magnete 2a, 2b ist dann gegeben, wenn zwischen dem Abstand der Permanentmagnete 2a, 2b, dem Abstand der Permanentmagnete 2a, 2b zum magnetfeldempfindlichen Bauelement 3, der Auflösung von ferromagnetischen Teilen 1, dem Winkel selbst und der Entfernungsauflösung ein Optimum erzielt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei großen ferromagnetischen Körpern die beiden Permanentmagnete (2a, 2b) nach außen abzuwinkeln, wodurch diese Kurven weiter werden als die Kurven H_x1 und H_y1, eine geringere Auflösung von ferromagnetischen Teilen 1 aber eine größere Entfernungsauflösung entsteht.

Die Größe der magnetischen Feldstärke am Ort der empfindlichen Fläche des magnetoresistiven Bauelementes 3 ist vom Abstand zu den Permanentmagneten 2a, 2b und deren Winkel zueinander abhängig und kann optimiert werden. Bei Vorbeilauf eines ferromagnetischen Teiles 1, z. B. der Zahn eines Zahnrades, wird das magnetische Streufeld der Permanentmagnete 2a, 2b in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des ferromagnetischen Teiles 1 verzerrt. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Bauelementes 3 aus den Änderungen der Feldstärkekomponenten H_xs und H_ys ist hinsichtlich ihrer Polarität von der Bewegungsrichtung des ferromagnetischen Teiles 1 abhängig. Der jeweils enthaltene Gleichfeldanteil wird durch die Auswerteelektronik 4, z. B. durch ein RC-Glied, eleminiert werden. Das Magnetfeldsignal wird mittels des magnetoresistiven Bauelementes 3 in ein von H_xs abhängiges, H_ys proportionales Ausgangsspannungs­ signal umgewandelt und der Auswerteelektronik 4 zugeführt. Das im magnetoresistiven Bauelement 3 generierte Ausgangsspannungssignal ist wie Fig. 3 zeigt, von der Drehrichtung abhängig dargestellt. Je nach Anordnung der Permanentmagnete 2a, 2b wird bei einer Rechtsdrehung nach der Pause zuerst das positive Signal und bei einer Linksdrehung zuerst das negative Signal generiert (Fig. 3). Nach einer Verstärkung des Ausgangsspannungssignals erfolgt die Triggerung. Die Triggerung erfolgt auf dem Spannungsniveau der Punkte A und B in Fig. 3, wobei Punkt A den Beginn und Punkt B das Ende der Triggerung darstellt. Denkbar ist auch die Vertauschung von Beginn und Ende der Triggerung, wodurch auch das Richtungssignal vertauscht wird. Damit erfolgt bei Rechtslauf die Triggerung über den Plus- und Minusimpuls und bei Linkslauf über Plusimpuls, Pause und Minusimpuls. Es ergeben sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung unterschiedlich lange Triggerimpulse, die je nach Rechts- oder Linkslauf kleiner oder größer als die halbe Periodendauer sind. Diese Tastverhältnisse werden z. B. in einem Vorwärts- und Rückwärtszählbaustein ausgewertet und in einer Folgelogik wird daraus ein statisches, die Drehrichtung repräsentierendes H- oder L- Signal erzeugt. Außerdem wird die Anzahl der Triggerimpulse pro Zeiteinheit gezählt und in Abhängigkeit von der am Umfang angeordneten Anzahl ferromagnetischen Körper (Zähne, Schrauben o.a.) die Umdrehungszahl pro Zeiteinheit ermittelt. Die Permanentmagnete 2a, 2b, der magnetfeldabhängige Widerstand 3 sowie die Auswerteelektronik 4 werden zum mechanischen Schutz in einem Gehäuse 5 aus schwachmagnetischem Material angeordnet.

Claims (3)

1. Verfahren zur berührungslosen, drehrichtungserkennenden Drehzahlmessung an rotierenden, ferromagnetischen Teilen (1), gekennzeichnet dadurch, daß

• - in einem magnetfeldempfindlichen Bauelement (3) bei Vorbeilauf eines ferromagnetischen Teiles (1) ein richtungsabhängiges Signal derart erzeugt wird, daß bei Annäherung des ferromagnetischen Teiles (1) das magnetische Feld zweier antiparallel angeordneter Permanentmagnete (2a, 2b) in dessen Richtung verzerrt wird, wobei der magnetische Fluß durch das magnetfeldempfindliche Bauelement (3) bis zu dem Punkt stärker wird, an dem das ferromagnetische Teil (1) direkt über dem ersten Permanentmagneten (2a) steht, danach abfällt, ein Minimum zwischen den beiden Permanentmagneten (2a, 2b) erreicht und nun bis zu dem Punkt mit entgegengesetzter Polarität stärker wird, an dem das ferromagnetische Teil (1) direkt über dem zweiten Permanentmagneten (2b) sich befindet,
• - die Verzerrung des magnetischen Feldes bei gleichzeitiger Veränderung der Stärke des magnetischen Flusses im magnetfeldempfindlichen Bauelement (3) in ein alternierendes Spannungssignal, mit nachfolgender Pause umgewandelt wird, dieses Spannungssignal vom Gleichfeldanteil getrennt, danach verstärkt und so getriggert wird, daß die Triggerpunkte oberhalb und unterhalb des Pausensignals liegen, das Taktverhältnis auf größer oder kleiner als 0,5 zur Erzeugung des Richtungssignals bewertet wird und die Anzahl der Triggerimpulse pro Zeiteinheit für das Drehzahlsignal ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Vorspannung des magnetfeldempfindlichen Bauelementes (3) durch die Permanentmagnete (2a, 2b) erzeugt wird, indem die empfindliche Achse des magnetoresistiven Bauelementes in der Ebene der empfindlichen Fläche der magnetoresistiven Bauelemente um einem bestimmten Winkel gegen die Mittelachse der beiden Permanentmagnete (2a, 2b) verdreht wird.

3. Anordnung zur berührungslosen, drehrichtungserkennenden Drehzahlmessung an rotierenden ferromagnetischen Teilen (1), gekennzeichnet dadurch, daß zwei axial magnetisierte Permanentmagnete (2a, 2b), antiparallel in einem bestimmten Abstand und Winkel zueinander befestigt sind und ein magnetfeldempfindliches Bauelement (3), welches hinter beiden Permanentmagneten so angeordnet ist, daß der Mittelpunkt seiner empfindlichen Fläche auf der Symmetrieachse der beiden Permanentmagnete (2a, 2b), außerhalb des Zwischenraumes beider, auf der dem ferromagnetischen Teil (1) abgewandten Seite der Permanentmagnete (2a, 2b) liegt.