WO2012038169A1 - Sensorsystem und verfahren zur inkrementellen drehzahlmessung - Google Patents

Sensorsystem und verfahren zur inkrementellen drehzahlmessung Download PDF

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WO2012038169A1
WO2012038169A1 PCT/EP2011/064328 EP2011064328W WO2012038169A1 WO 2012038169 A1 WO2012038169 A1 WO 2012038169A1 EP 2011064328 W EP2011064328 W EP 2011064328W WO 2012038169 A1 WO2012038169 A1 WO 2012038169A1
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Jens Heim
Christian Mock
Raphael Fischer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G—PHYSICS
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
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    • G—PHYSICS
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    • G01P3/488—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by variable reluctance detectors

Definitions

  • the invention relates to a sensor system for measuring the rotational speed of a rotatable machine element, in particular a wheel hub, comprising a signal transmitter, a first and a second sensor, wherein the signal transmitter is coupled to the rotatable machine element and concentrically arranged to the axis of rotation and circumferentially alternating information areas of two different Has varieties. Furthermore, the invention relates to a method for speed measurement by means of two sensors.
  • Speed sensors and anti-lock brake encoders for vehicles provide a square wave signal generated by an application specific integrated circuit (ASIC) which processes the signal from the sensing element.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • This signal gives two consecutive pulses ("up” and “down” or “1” and “0") per pole pair of the signal transmitter.
  • a rotational speed for the rotatable machine part for example a wheel hub, can be specified.
  • the problem with this is that for very low speeds it is not possible to tell if the wheel is still moving, ie if the speed is approaching 0 km. Thus, most control systems are overwhelmed when the wheels hardly move in the event of black ice.
  • resolvers such as a slip-ringless resolver (DE19527156C1) or a magneto-electronic angle sensor, in particular reluctance resolver (DE19719354C2).
  • a donor disk is shaped to generate a reliable sine signal over the entire circumference of the rotary member, so that the function value, i. E. can be read in the amount of amplitude in which angular position is the machine part.
  • This device is incompatible with conventional speed sensors of the automotive industry, because too much space installed and many new parts would have to be created.
  • the object of the invention is therefore to provide a sensor system or a method, which makes it possible to implement an efficient, cost-effective and precise speed measurement and thus allows a wider use of control systems.
  • the object is achieved by a wheel bearing unit of the type mentioned above in that the sensors are arranged such that the first sensor substantially to interact with an information area and at the same time the second sensor substantially to interact with a border region of two adjacent information areas are provided.
  • the detection of the sensors can take place both in the axial and in the radial direction to the axis of rotation.
  • the information areas continuously move in the circumferential direction when the machine element is in operation.
  • the term "essentially” here means that the interacting information areas of the signal generator vary over time, but the information area considered to be essential, which is - for a maximum of two information areas - for the greater part in the interaction region of the sensor This may also apply to a boundary area formed between two adjacent information areas, and both the interacting areas are circumferentially separated from one another by at least half a non-interacting information area (for example, one half magnetic pole) or a plurality of non-interacting information areas of the signal generator.
  • a first-order information region is a positive magnetic pole and a second-order information region is a negative magnetic pole.
  • a first type information area is a soft magnetic material tooth and a second type information area is a recess between the teeth.
  • the first variant leads to a better signal strength and the second one is cheaper to manufacture.
  • the signal generator has at least two information areas which are offset by 90 ° (or half a pole) in the circumferential direction, which simplifies the positioning of the sensor. These areas may be axially or radially, or both axially and radially aligned.
  • the signal transmitter has an additional information area with higher resolution, with which the pure speed detection is generated with higher resolution.
  • This additional area can also be aligned axially or radially.
  • the first and / or second sensor is formed from a first or second measuring element and each an application-specific circuit, wherein the circuit for generating a periodic square wave signal from the first signal of the first measuring element, or from a second signal of the second measuring element , is provided, whose period corresponds to a circumferential length, or the radian measure of two adjacent information areas.
  • first analysis means are provided which convert the first signal of the first measuring element into a sine or cosine signal and second analysis means provided, the second signal of the second measuring element in a phase-shifted, in particular with a phase of 90 degrees shifted sine or Convert cosine signal.
  • These analysis means may, for example, be impedance regulators which receive their two input signals directly from the terminals of the measuring elements. Due to their amplitude, these signals thus already contain information about the incremental rotation angle within an information range pair and even within a single information range.
  • evaluation means such as an evaluation unit or a computer, are provided which generate an incremental rotation angle ( ⁇ ) from the first and the second signal calculate the arctangent of the signal quotient:
  • ⁇ (t) arctan2 (A sin (nwt) / B cos (nwt))
  • A, B are signal amplitudes of the first and second signals respectively
  • w is the angular velocity of the machine part
  • n is the number of information area pairs
  • t is the time.
  • the first signal takes the form Asin (nwt)
  • the second signal takes the form Bcos (nwt).
  • ⁇ is a rotation angle within a period nwt, i. For each information area pair, for example a magnetic pole pair, a position angle can be determined.
  • ⁇ could represent the discrete rotational angle sequence that can be detected by a sensor with circuitry by counting the "1" events, thus assigning an angle ⁇ to each of the n times "1" information.
  • the incremental rotation angle ⁇ can now be used, with which the final angular position with ⁇ + ⁇ can be specified for each time t.
  • arctan2 (S1, S2) arctane (S1 / S2) + ⁇ , for S2 ⁇ 0, S1> 0;
  • arctan2 (S1, S2) arctan (S1 / S2) - ⁇ , for S2 ⁇ 0, S1 ⁇ 0;
  • it is designed as a signal generator rotor of a wheel hub motor.
  • a direction trained, alternating magnetic field already available for driving purposes.
  • this can serve as an encoder.
  • the sensors may not require any application-specific circuits, since the angle ⁇ is already predetermined by the control unit of the wheel hub motor.
  • the signals of two outputs of the circuits are linked by means of an exclusive or prescription ("either or” or XOR) in order to generate a double pulse rate increment signal in comparison with one of the signals of the circuit outputs
  • an exclusive or prescription either or or XOR
  • ESP ABS or electronic stabilization systems
  • Method for speed measurement of a rotatable machine element in particular a wheel hub, wherein a signal generator coupled to the machine element has alternating information areas of two different grades in the circumferential direction and rotates together with the machine element, a first sensor essentially having an information area and at the same time a second sensor in the Essentially with a border region of two information areas of the signal generator interact.
  • FIG. 7 Sensor system with connectable units according to the exemplary embodiment of FIG. 4.
  • FIG. 7 Sensor system with connectable units according to the exemplary embodiment of FIG. 4.
  • Fig. 1 shows an incremental speed measurement with multipole encoder as Signal transmitter 20.
  • two sensors with measuring elements 27, 28 are arranged, which each have a detection gate 6, which determine the interaction regions of the sensors with their dimensions.
  • Each of the investigation sections faces exactly one information area and one border area.
  • a negative pole 25 is located opposite the detection section 6 of the measuring element 27. The largest portion of the negative pole 25 is in this rotational position in the interaction region of the sensor with measuring element 27, thus this is substantially in interaction with this sensor.
  • the detection sections 6 are formed from a plurality of sub-elements, for example to suppress interference fields or to increase the signal yield.
  • Fig. 2 shows an incremental speed measurement with soft magnetic signal generator 21, in which two permanent magnets 29,30 are used to increase the flux density of the sensor-own coils to increase the signal strength.
  • the soft-magnetic teeth 22 and recesses 23 assume the function of the plus and minus poles 24, 25 of FIG. 1.
  • Fig. 3 shows a first signal conditioning circuit with impedance controller 7.8 for incremental speed measurement.
  • the application-specific circuits 9, 10 prepare the first signal of the sensor with measuring element 27 and the second signal of the sensor with measuring element 28 in such a way that square-wave signals which have a phase shift relative to one another at the outputs A1 and A2 can be tapped off from one another equivalent. Based on one of these signals, the rotation angle ⁇ can be determined.
  • the impedance converters 7, 8 process the first and second signals of the two measuring elements 27, 28 into a sine-cosine signal. These be also a phase difference to each other, which corresponds to the circumferential distance of the two measuring elements 27, 28. These signals can be tapped at the terminals A4 and A5.
  • the circuits 9, 10 and the impedance regulators 7, 8 are supplied with voltage.
  • the connection A6 is connected to earth.
  • the incremental rotation angle ⁇ can now be derived from the first and second signals of the two measuring elements 27, 28 by generating the individual signals or an intermediate signal generated thereon. Ideally, the operation of an arctangent is used.
  • the total rotation angle of the machine part or the wheel hub is thus: ⁇ + ⁇
  • ⁇ can be determined from the signals of the terminals A1 and A2 in the conventional method, or alternatively use the phase sequences at the terminals A4 and A5.
  • ⁇ can be determined from the signals of the terminals A1 and A2 in the conventional method, or alternatively use the phase sequences at the terminals A4 and A5.
  • the terminals A1, A2, A3, A4, A5 and A6 of the following embodiments the same applies, provided that they are provided.
  • Fig. 4 shows a second signal conditioning circuit with impedance controller 7.8 for incremental speed measurement.
  • the signal output of the formwork 10 has been grounded, in case the second square wave signal is not of interest.
  • Fig. 5 shows a third signal conditioning circuit with impedance controller for incremental speed measurement without square wave signal.
  • the connections A1 and A2 are not available.
  • the signal conditioning circuit is suitable for use with a wheel hub motor, since the square wave signal no longer needs to be generated there.
  • Circuits 9, 10 (ASICs) then serve the supply of the investigation sections 6 and, where appropriate, the suppression of disturbances.
  • FIG. 6 shows a sensor system with connectable units according to the exemplary embodiment of FIG. 3.
  • an interface 14 is provided, which can be designed, for example, as a cable.
  • the sensor head 13 away from the amplifier circuit 12 can be installed with a small space requirement, and the amplifier circuit 12 is connected via an interface 1 1 to a computer or another analysis or evaluation.
  • FIG. 7 shows a sensor system with connectable units according to the embodiment of FIG. 4, but in the same distribution as in FIG. 6.
  • the invention relates to a sensor system for speed measurement of a rotatable machine element, in particular a wheel hub, comprising a signal transmitter, a first and a second sensor, wherein the signal transmitter is coupled to the rotatable machine element and concentrically arranged to the axis of rotation and alternately in the circumferential direction information areas two has different varieties.
  • the invention relates to a method for speed measurement by means of two sensors. The aim is to enable a more precise detection of the angle of rotation with a low number of components and little space. The aim is to provide known control systems, such as ABS, with a broader information base for security measures.
  • the sensors are arranged in such a way that the first sensor is provided essentially for interaction with an information area and at the same time the second sensor essentially for interaction with a boundary area of two circumferentially adjacent information areas.
  • two phase-shifted sine or cosine signals can be created, which are used to calculate an incremental rotation angle. which allows the determination of an angular position within an information area.
  • connection measuring element 2 connection measuring element
  • A6 sixth connection 31 limit range

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft zusammenfassend ein Sensorsystem zur Drehzahlmessung eines drehbaren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, aufweisend einen Signalgeber, einen ersten und einen zweiten Sensor, wobei der Signalgeber mit dem drehbaren Maschinenelement gekoppelt und zu dessen Drehachse konzentrisch angeordnet ist und in Umfangsrichtung alternierende Informationsbereiche zweier unterschiedlicher Sorten aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Drehzahlmessung mittels zwei Sensoren. Ziel ist es bei geringer Komponentenanzahl und wenig Bauraum eine präzisere Detektion des Drehwinkels zu ermöglichen. Dabei wird angestrebt bekannte Regelsysteme, wie z.B. ABS eine breitere Informationsbasis für Sicherheitsmaßnahmen zu verschaffen. Dazu werden die Sensoren derart angeordnet, dass der erste Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Informationsbereich und gleichzeitig der zweite Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Grenzbereich zweier in Umfangsrichtung benachbarter Informationsbereiche vorgesehen sind. Dadurch können zwei phasenverschobene Sinus- bzw. Kosinus-Signale geschaffen werden, die zur Berechnung eines inkrementellen Drehwinkels dienen, der die Bestimmung einer Winkelposition innerhalb eines Informationsbereichs ermöglicht.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Sensorsystem und Verfahren zur inkrementellen Drehzahlmessung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Drehzahlmessung eines drehba- ren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, aufweisend einen Signalgeber, einen ersten und einen zweiten Sensor, wobei der Signalgeber mit dem drehbaren Maschinenelement gekoppelt und zu dessen Drehachse konzentrisch angeordnet ist und in Umfangsrichtung alternierende Informationsbereiche zweier unterschiedlicher Sorten aufweist. Ferner betrifft die Er- findung ein Verfahren zur Drehzahlmessung mittels zwei Sensoren.
Stand der Technik
Hintergrund der Erfindung
Drehzahlsensoren und Encoder für Antiblockiersysteme für Fahrzeuge liefern ein Rechtecksignal, welches durch eine anwendungsspezifische Schaltung (ASIC, application specific integrated circuit) generiert wird, welches das Signal des Messelementes aufbereitet. Dieses Signal gibt pro Polpaar des Signalgebers zwei aufeinanderfolgende Impulse („up" und„down" oder„1 " und„0"). Damit kann anhand der Pulsanzahl eine Drehgeschwindigkeit für das drehbare Maschinenteil, zum Beispiel eine Radnabe, angegeben werden. Problematisch daran ist, dass für sehr geringe Geschwindigkeiten nicht erkennbar ist, ob sich das Rad noch bewegt, also wenn die Geschwindigkeit gegen 0 km geht. Somit sind die meisten Regelsysteme überfordert, wenn sich die Räder bei Glatteisfahrt kaum mehr bewegen.
Man könnte mehrere Sensoren einsetzen, was jedoch zu einer starken Verteuerung des Systems führen würde.
Es gibt sogenannte Resolver, wie beispielsweise einen schleifringlosen Drehmelder (DE19527156C1 ) oder einen magneto-elektronischen Winkelsensor, insbesondere Reluktanz-Resolver (DE19719354C2). In beiden Fällen ist eine Geberscheibe derart geformt, dass sie ein verlässliches Sinus- Signal über den gesamten Umfang des Drehelementes generiert, sodass anhand des Funktionswertes, d.h. am Betrag der Amplitude ablesbar ist in welcher Winkelposition sich das Maschinenteil befindet. Diese Apparatur ist mit herkömmlichen Drehzahlsensoren der Fahrzeugtechnik nicht vereinbar, da zuviel Platz verbaut und viele neue Teile geschaffen werden müssten.
Aufgabenstellung
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist daher ein Sensorsystem bzw. ein Verfahren anzugeben, welches es möglich macht eine effiziente, kostengünstige und präzise Drehzahlmessung zu umzusetzen und damit einen weitergehenden Einsatz von Regelsystemen erlaubt.
Die Aufgabe wird durch eine Radlagereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Sensoren derart angeordnet sind, dass der erste Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Informationsbereich und gleichzeitig der zweite Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Grenzbereich zweier benachbarter Informationsbereiche vorgesehen sind.
Zwischen den Sensoren und dem Signalgeber befindet sich ein Luftspalt, der wegen der Signalstärke möglichst klein gehalten wird. Die Detektion der Sensoren kann sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung zur Drehachse stattfinden.
Im Wechselwirkungsbereich der Sensoren bewegen sich die Informationsbe- reiche andauernd in Umfangsrichtung, wenn das Maschinenelement in Betrieb ist. Der Ausdruck„Im Wesentlichen" bedeutet dabei, dass die wechselwirkenden Informationsbereiche des Signalgebers mit der Zeit variieren, jedoch gilt genau der Informationsbereich als wesentlich, der sich - von maximal zwei Informationsbereichen - zum größeren Anteil im Wechselwirkungs- bereich des Sensors befindet. In entsprechender Weise kann dies auch für einen Grenzbereich gelten, der zwischen zwei benachbarten Informationsbereichen ausgebildet ist. Ferner sind beide wechselwirkenden Bereiche mindestens durch einen halben nicht wechselwirkenden Informationsbereich (zum Beispiel ein halber Magnetpol) oder durch eine Mehrzahl von nicht wechselwirkenden Informationsbereichen des Signalgebers in Umfangsrichtung voneinander getrennt.
Vorzugsweise ist ein Informationsbereich erster Sorte ein magnetischer Pluspol und ein Informationsbereich zweiter Sorte ein magnetischer Minus- pol. Alternativ ist ein Informationsbereich erster Sorte ein Zahn aus weichmagnetischem Material und ein Informationsbereich zweiter Sorte eine Aussparung zwischen den Zähnen. Die erste Variante führ zu einer besseren Signalstärke und die zweite ist günstiger in der Herstellung. Vorzugsweise hat der Signalgeber mindestens zwei, um 90° (beziehungsweise einen halben Pol) in Umfangsrichtung versetzte, Informationsbereiche, was die Positionierung des Sensors vereinfacht. Diese Bereiche können axial oder radial, oder sowohl axial als auch radial ausgerichtet sein.
Vorteilhafterweise hat der Signalgeber hat einen zusätzlichen Informations- bereich mit höherer Auflösung, mit dem die reine Drehzahlerfassung mit höherer Auflösung erzeugt wird. Auch dieser zusätzliche Bereich kann axial oder radial ausgerichtet sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder zweite Sensor aus einem ersten, beziehungsweise zweiten Messelement und jeweils einer anwendungsspezifischen Schaltung gebildet, wobei die Schaltung zur Generierung eines periodischen Rechtecksignals aus dem ersten Signal des ersten Messelementes, beziehungsweise aus einem zweiten Signal des zweiten Messelementes, vorgesehen ist, dessen Periode einer Umfangslänge, be- ziehungsweise dem Bogenmaß zweier benachbarter Informationsbereiche, entspricht.
Vorteilhafterweise sind erste Analysemittel vorgesehen, die das erste Signal des ersten Messelementes in ein Sinus- oder Kosinus-Signal umwandeln und zweite Analysemittel vorgesehen, die das zweite Signal des zweiten Messelementes in ein phasenverschobenes, insbesondere mit einer Phase von 90 Grad verschobenes, Sinus- oder Kosinus-Signal umwandeln. Diese Analysemittel können beispielsweise Impedanzregler sein, die ihre beiden Eingangssignale direkt aus den Anschlüssen der Messelemente erhalten. Diese Signal enthalten also aufgrund ihrer Amplitude bereits eine Information über den inkrementellen Drehwinkel innerhalb eines Informationsbereichspaares und sogar innerhalb eines einzelnen Infomationsbereiches.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind Auswertemittel, wie zum Beispiel eine Auswerteeinheit oder ein Computer, vorgesehen, die aus dem ersten und dem zweiten Signal einen inkrementellen Drehwinkel (Δγ) aus dem Arcustangens des Signalquotienten berechnen:
Δγ (t) = arctan2 (A sin (nwt) / B cos(nwt)) wobei A, B Signalamplituden des ersten bzw. zweiten Signals, w die Winkelgeschwindigkeit des Maschinenteils, n die Anzahl der Informationsbereichspaare und t die Zeit sind. Das erste Signal nimmt dabei die Form Asin (nwt) und das zweite Signal die Form Bcos(nwt). Dabei ist nun Δγ ein Drehwinkel innerhalb einer Periode nwt, d.h. für jedes Informationsbereichspaar, bei- spielsweise ein magnetisches Polpaar, kann ein Positionswinkel ermittelt werden. Der Einfachheit halber könnte γ die diskrete Drehwinkelfolge darstellen, die durch einen Sensor mit Schaltung ermittelbar ist, indem die„1 " Ereignisse gezählt würden. Somit erhielte jede der n-mal vorkommenden „1 "-Informationen einen Winkel γ zugeordnet. Für weitere Positionsinformati- on kann nun der inkrementelle Drehwinkel Δγ verwendet werden, womit die endgültige Winkelposition mit γ + Δγ für jeden Zeitpunkt t angegeben werden kann.
Mathematisch ist noch relevant, dass es sich um eine Arkustangensfunktion (arctan2(Sl ,S2)) mit zwei Argumenten handelt, nämlich S1 = A sin (nwt) und S2 = B cos(nwt). Diese ist wie folgt definiert: arctan2(S1 ,S2) = arctan(S1/S2), für S2 > 0;
arctan2(S1 ,S2) = arctan(S1/S2) + π, für S2 < 0, S1 > 0;
arctan2(S1 ,S2) = arctan(S1/S2) - ττ, für S2 < 0, S1 < 0;
arctan2(S1 ,S2) +ΤΓ/2, für S2 = 0, S1
arctan2(S1 ,S2) -TT/2, für S2 = 0, S1
arctan2(S1 ,S2) 0, für S2 = 0, S1 = 0
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist er Signalgeber als Rotor eines Radnabenmotors ausgeführt. Bei dieser Art von Motoren ist ein in Umfangs- richtung ausgebildetes, alternierendes Magnetfeld bereits zu Antriebszwecken vorhanden. Somit kann dieses als Encoder dienen. Vorteilhaft ist auch, dass die Sensoren gegebenenfalls keine anwendungsspezifischen Schaltungen benötigen, da der Winkel γ bereits durch die Steuereinheit des Rad- nabenmotors vorgegeben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Signale zweier Ausgänge der Schaltungen (ASICs) mittels einer exklusiv-oder Vorschrift („entweder oder" beziehungsweise XOR) verknüpft, um ein Inkrementsignal mit doppel- ter Pulszahl im Vergleich zu einem der Signale der Schaltungsausgänge zu generieren. Somit wäre ein solches Sensorsystem leicht mit einem Radnabenmotor integrierbar, da herkömmliche ABS oder elektronische Stabilisierungssysteme (ESP) ein Referenzsignal benötigen, welches der doppelten Anzahl von Polpaaren eines üblichen Radnabenmotors entsprechen würde. Folglich sind Signalgeber auch mit einer geringeren Polzahl ausführbar (kosteneffizient) ohne die Kompatibilität mit einem Radnabenmotor zu gefährden.
Verfahren zur Drehzahlmessung eines drehbaren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, wobei ein mit dem Maschinenelement gekop- pelter Signalgeber in Umfangsrichtung alternierende Informationsbereiche zweier unterschiedlicher Sorten aufweist und zusammen mit dem Maschinenelement dreht, wobei ein erster Sensor im Wesentlichen mit einem Informationsbereich und gleichzeitig ein zweiter Sensor im Wesentlichen mit einem Grenzbereich zweier Informationsbereiche des Signalgebers wech- seiwirken.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Inkrementeile Drehzahlmessung mit Multipol-Encoder als Signalgeber,
Fig. 2 inkrementeile Drehzahlmessung mit weichmagnetischem Signalgeber,
Fig. 3 erste Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler zur inkrementellen Drehzahlmessung,
Fig. 4 zweite Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler zur inkrementellen Drehzahlmessung,
Fig. 5 dritte Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler zur inkrementellen Drehzahlmessung ohne Rechteckssignal,
Fig. 6 Sensorsystem mit verbindbaren Einheiten gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3, und
Fig. 7 Sensorsystem mit verbindbaren Einheiten gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4.
Ausführungsbeispiele Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine inkrementeile Drehzahlmessung mit Multipol-Encoder als Signalgeber 20. Im Sensorkopf 13 sind zwei Sensoren mit Messelementen 27, 28 angeordnet, die jeweils einen Ermittlungsanschnitt 6 aufweisen, die mit ihren Dimensionen die Wechselwirkungsbereiche der Sensoren festlegen. Die Ermittlungsabschnitte liegen jeweils genau einem Informationsbe- reich und einem Grenzbereich gegenüber. In dieser Drehposition liegt ein Minuspol 25 dem Ermittlungsabschnitt 6 des Messelements 27 gegenüber. Der größte Anteil des Minuspols 25 liegt in dieser Drehposition im Wechselwirkungsbereich des Sensors mit Messelement 27, somit steht dieser im Wesentlichen mit diesem Sensor in Wechselwirkung. Entsprechendes gilt für einen Grenzbereich 31 und den Sensor mit Messelement 28.
Vorteilhafterweise werden die Ermittlungsabschnitte 6 aus mehreren Unterelementen gebildet, um beispielsweise Störfelder zu unterdrücken oder die Signalausbeute zu erhöhen.
Fig. 2 zeigt eine inkrementelle Drehzahlmessung mit weichmagnetischem Signalgeber 21 , bei der zur Erhöhung der Flussdichte der sensoreigenen Spulen zwei Permanentmagnete 29,30 eingesetzt werden, um die Signalstärke zu erhöhen. Die weichmagnetischen Zähne 22 und Aussparungen 23 übernehmen die Funktion der Plus- und Minuspole 24, 25 aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine erste Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler 7,8 zur inkrementellen Drehzahlmessung. Die anwendungsspezifischen Schaltungen 9,10 Bereiten das erste Signal des Sensors mit Messelement 27 und das zweite Signal des Sensors mit Messelement 28 derart auf, dass an den Ausgängen A1 und A2 Rechtecksignale abgreifbar sind, die eine Phasenverschiebung zueinander aufweisen, die dem umfänglichen Abstand der Sensoren entspricht. Anhand eines dieser Signale kann der Drehwinkel γ ermittelt werden.
Die Impedanzwandler 7, 8 verarbeiten das erste und zweite Signal der beiden Messelemente 27, 28 zu einem Sinus-Kosinus-Signal weiter. Diese ha- be ebenfalls einen Phasenunterschied zueinander, der dem Umfangsab- stand der beiden Messelemente 27, 28 entspricht. Diese Signale sind an den Anschlüssen A4 und A5 abgreifbar. Der Anschluss A3 dient zur Spannungsversorgung, die bei Fahrzeugen typischerweise U = 12 VDC beträgt. Somit werden die Schaltungen 9,10 und die Impedanzregler 7,8 mit Spannung versorgt. Der Anschluss A6 wird an die Erde angeschlossen.
Es kann nun aus dem ersten und zweiten Signal der beiden Messelemente 27,28 der inkrementelle Drehwinkel Δγ abgeleitet werden, indem die einzel- nen Signale oder ein auf diesen erzeugtes Zwischensignal erzeugt wird. Idealerweise wird dazu die Operation eines Arkustangens verwendet. Der Gesamtdrehwinkel des Masschinenteils oder der Radnabe ist somit: γ + Δγ
Dabei kann γ auf die herkömmliche Methode aus den Signalen der Anschlüsse A1 bzw. A2 ermittelt werden oder alternativ die Phasendurchläufe bei den Anschlüssen A4 und A5 verwenden. Für die Anschlüsse A1 , A2, A3, A4, A5 und A6 der folgenden Ausführungsbeispiele gilt das gleiche, sofern diese vorgesehen sind.
Fig. 4 zeigt eine zweite Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler 7,8 zur inkrementellen Drehzahlmessung. Der Signalausgang der Schalung 10 wurde auf Erde gelegt, für den Fall, dass das zweite Rechteckssignal nicht vor Interesse ist.
Fig. 5 zeigt eine dritte Signalaufbereitungsschaltung mit Impedanzregler zur inkrementellen Drehzahlmessung ohne Rechteckssignal. Die Anschlüsse A1 und A2 sind nicht vorhanden. Somit eignet sich die Signalaufbereitungsschaltung zur Verwendung mit einem Radnabenmotor, da das Rechtecksignal dort nicht mehr generiert werden muss. Die Schaltungen 9,10 (ASICs) dienen dann der Versorgung der Ermittlungsabschnitte 6 und gegebenenfalls der Unterdrückung von Störungen.
Fig. 6 zeigt ein Sensorsystem mit verbindbaren Einheiten gemäß dem Aus- führungsbeispiel der Fig. 3. Zwischen dem Sensorkopf 13 und der Verstärkerschaltung 12, die eigentlich eine Analyseschaltung ist, ist eine Schnittstelle 14 vorgesehen, die beispielsweise als Kabel ausgeführt werden kann. Somit kann der Sensorkopf 13 von der Verstärkerschaltung 12 entfernt bei geringem Platzaufwand eingebaut werden, auch die Verstärkerschaltung 12 ist über eine Schnittstelle 1 1 an einen Computer oder eine weitere Analyseoder Auswerteeinheit anschließbar.
Fig. 7 zeigt ein Sensorsystem mit verbindbaren Einheiten gemäß dem Aus- führungsbeispiei der Fig. 4, jedoch in der gleichen Aufteilung wie in Fig. 6.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Sensorsystem zur Drehzahlmessung eines drehbaren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, aufweisend einen Signalgeber, einen ersten und einen zweiten Sensor, wobei der Signalgeber mit dem drehbaren Maschinenelement gekoppelt und zu dessen Drehachse konzentrisch angeordnet ist und in Umfangsrich- tung alternierende Informationsbereiche zweier unterschiedlicher Sorten aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Drehzahlmessung mittels zwei Sensoren. Ziel ist es bei geringer Komponentenanzahl und wenig Bauraum eine präzisere Detektion des Drehwinkels zu ermöglichen. Da- bei wird angestrebt bekannte Regelsysteme, wie z.B. ABS eine breitere Informationsbasis für Sicherheitsmaßnahmen zu verschaffen. Dazu werden die Sensoren derart angeordnet, dass der erste Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Informationsbereich und gleichzeitig der zweite Sensor im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Grenzbereich zweier in Umfangsrichtung benachbarter Informationsbereiche vorgesehen sind. Dadurch können zwei phasenverschobene Sinus- bzw. Kosinus-Signale geschaffen werden, die zur Berechnung eines inkrementellen Drehwinkels die- nen, der die Bestimmung einer Winkelposition innerhalb eines Informationsbereichs ermöglicht.
Bezugszeichenliste
1 Anschluss Messelement 2 Anschluss Messelement
3 Anschluss Messelement 4 Anschluss Messelement
5 Lesepunkt 6 E rm ittl u ngsabsch n itt
7 Impedanzwandler 8 Impedanzwandler
9 ASIC 10 ASIC
1 1 Schnittstelle 12 Verstärkerschaltung
13 Sensorkopf 14 Schnittstelle
20 Encoderring 21 Signalgeberring
22 weichmagnetischer Zahn 23 Aussparung
24 positiver Magnetpol 25 negativer Magnetpol
26 Sensorkopf 27 Messelement
28 Messelement 29 Permanentmagnet
30 Permanentmagnet A1 erster Anschluss
A2 zweiter Anschluss A3 dritter Anschluss
A4 vierter Anschluss A5 fünfter Anschluss
A6 sechster Anschluss 31 Grenzbereich

Claims

Patentansprüche
1. Sensorsystem zur Drehzahlmessung eines drehbaren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, aufweisend einen Signalgeber, einen ersten und einen zweiten Sensor (27,28), wobei
der Signalgeber (20, 21 ) mit dem drehbaren Maschinenelement gekop- pelt und zu dessen Drehachse konzentrisch angeordnet ist und in Umfangsrichtung alternierende Informationsbereiche (22,23,24,25) zweier unterschiedlicher Sorten aufweist, wobei
die Sensoren (27,28) derart angeordnet sind, dass der erste Sensor (27) im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Informationsbereich und gleichzeitig der zweite Sensor (28) im Wesentlichen zur Wechselwirkung mit einem Grenzbereich zweier benachbarter Informationsbereiche vorgesehen sind.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1 , wobei ein Informationsbereich erster Sorte (24) ein magnetischer Pluspol und ein Informationsbereich zweiter Sorte (25) ein magnetischer Minuspol ist.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 , wobei der Signalgeber als Rotor eines Radnabenmotors ausgeführt ist.
4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Informationsbereiche des Signalgebers mindestens um 90° in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
5. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalgeber einen zusätzlichen Informationsbereich mit höherer Auflösung aufweist.
6. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Sensor aus einem ersten (27), beziehungsweise zweiten Meßelement (28) und jeweils einer anwendungsspezifischen Schaltung (9,10) gebildet ist/sind, wobei die Schaltung (9,10) zur Generierung eines periodischen Rechtecksignals aus dem ersten Signal des ersten Meßelementes (27), beziehungsweise aus einem zweiten Signal des zweiten Meßelementes (28), vorgesehen ist, dessen Periode einer Umfangslänge, beziehungsweise dem Bogenmaß zweier aneinandergrenzender Informationsbereiche (22,23,24,25), entspricht.
7. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Analysemittel vorgesehen sind, die das erste Signal des ersten Meßelementes (27) in ein Sinus- oder Cosinus-Signal umwandelt und zweite Analysemittel vorgesehen sind, die das zweite Signal des zweiten Meßelementes (28) in ein pha- senverschobenes, insbesondere mit einer Phase von 90 Grad, Sinus- oder Cosinus-Signal umwandelt.
8. Sensorsystem nach Anspruch 7, wobei Auswertemittel vorgesehen sind, die aus dem ersten und dem zweiten Signal einen inkrementellen Drehwinkel (Δγ) aus dem Arcustangens des Signalquotienten berechnet:
Δγ (t) = arctan2 (A sin (nwt) / B cos(nwt)), wobei A, B Signalamplituden des ersten bzw. zweiten Signals, w die Winkelge- schwindigkeit des Maschinenteils, n die Anzahl der Informationsbereichspaare und t die Zeit sind.
9. Sensorsytem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Signale zweier Ausgänge A1 , A2 der Schaltungen 9,10 mittels einer exklusiv-oder Vorschrift verknüpft werden, um ein Inkrementsignal mit doppelter Pulszahl im Vergleich zu einem der Signale der Ausgänge A1 , A2 zu generieren.
10. Verfahren zur Drehzahlmessung eines drehbaren Maschinenelementes, insbesondere einer Radnabe, wobei
ein mit dem Maschinenelement gekoppelter Signalgeber (20, 21) in Um- fangsrichtung alternierende Informationsbereiche (22,23,24,25) zweier unterschiedlicher Sorten aufweist und zusammen mit dem Maschinenelement dreht, wobei
ein erster Sensor im Wesentlichen mit einem Informationsbereich und gleichzeitig ein zweiter Sensor im Wesentlichen mit einem Grenzbereich zweier Informationsbereiche des Signalgebers (20,21) wechselwirken.
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