WO2014079409A2 - Drehmomentmesseinrichtung und verfahren zum messen eines drehmoments - Google Patents

Drehmomentmesseinrichtung und verfahren zum messen eines drehmoments Download PDF

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WO2014079409A2
WO2014079409A2 PCT/DE2013/000698 DE2013000698W WO2014079409A2 WO 2014079409 A2 WO2014079409 A2 WO 2014079409A2 DE 2013000698 W DE2013000698 W DE 2013000698W WO 2014079409 A2 WO2014079409 A2 WO 2014079409A2
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secondary coil
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Herbert Meuter
Oliver Jandousek
Volker Clarenbach
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GIF Gesellschaft für Industrieforschung mbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a torque measuring device and a method for measuring a torque.
  • a stator and a rotor having torque measuring devices are known.
  • the rotor is rotatably mounted on the torque transmitting device for measuring the respective torque, wherein the torque applied to the rotor is measured by means of a torque sensor provided on the rotor.
  • the measured torque measurement signal is usually converted into a frequency or digital signal and then transferred without contact to a provided on the stator signal-receiving device, which is at least partially disposed around the rotor.
  • the contactless transmission takes place for example in a known from WO 2009/062481 AI solution by driving a provided on the rotor light emitting diode by a frequency-modulated signal by means of the measuring signal and receiving the provided by the control frequency-modulated light signal by means of a signal-receiving device in the form a photoelectric cell provided on the rotor.
  • the non-contact transmission of the frequency-modulated signal to the stator takes place inductively or by inductive coupling. All known solutions have in common that for the production of complex components provided or specially manufactured, accompanied by a high production cost and high production costs.
  • the invention is therefore based on the object to provide a torque measuring device which is much cheaper to produce compared to the known solutions, and to provide a method for measuring a torque which is feasible compared to the known solutions with significantly lower cost.
  • the torque measuring device has a torque measuring transducer provided on the rotor for measuring a torque acting on the rotor and for outputting a torque measuring signal. Furthermore, the torque measuring device according to the invention comprises a signal generating device for generating a switching signal from the torque measurement signal, at least one provided on the stator primary coil, which can be powered by a supply voltage source with alternating current, at least one provided on the rotor secondary coil, which is used to power the torque sensor and the signal generating means is provided by a secondary coil voltage of the secondary coil, wherein the secondary coil voltage is induced by the supplied by the supply voltage source primary coil in the secondary coil, at least one provided on the rotor modulation device for modulating the coil current in the secondary coil, said Modulation device for modulating the coil current in accordance with the switching signal from this can be controlled, and at least one provided on the stator evaluation, which is set by the da s modulating the coil current of the secondary coil in the primary coil induced coil current modulation to detect.
  • the operation of the device according to the invention is based on modulating the coil current in the secondary coil according to the switching signal by means of the modulation device and detecting the current induced by modulating the coil current of the secondary coil in the primary coil coil current modulation by means of the evaluation.
  • the modulation of the coil current in the secondary coil or the coil current modulation in the primary coil depends on the time characteristic of the torque measurement signal since the switching signal or modulation signal generated by the signal generation input is also dependent on the temporal progression of the signal Torque measuring signal depends.
  • This mode of operation thus makes it possible, by means of a modulation of the coil current in the secondary coil, which can be carried out in a simple and practical manner, to store the information contained in the torque measurement signal on the coil Rotor acting or transmitted torque without contact to the stator or to transmit the evaluation unit.
  • the particularly necessary for the realization of this transmission signal generating device and modulation device can be advantageously constructed and formed in a simple and practical manner, for example, from inexpensive electronic components, along with a significant reduction in manufacturing costs and manufacturing costs over the known solutions.
  • the stator is preferably arranged at least in sections or entirely around the rotor.
  • the torque measuring signal is an analog torque measuring signal or the torque measuring transducer is set up to output the measuring result as an analog torque measuring signal.
  • the signal generating device is adapted to generate from the analog torque measurement signal dependent on the temporal waveform of the analog torque measurement signal switching signal or modulation signal, the switching signal or modulation signal preferably a through the analog torque measurement signal frequency-modulated carrier signal or preferably a pulse width modulated by the analog torque measurement signal carrier signal. Due to the intended frequency modulation or pulse width modulation, distortions due to amplitude changes, which can occur due to environmental influences, can advantageously be avoided during transmission.
  • the signal generator may also include a digital-to-analog converter for converting the analog torque measurement signal into a temporal waveform-dependent digital switching signal. Even by digitizing the analog torque measurement signal, adulterations due to amplitude changes during transmission, which can occur as a result of environmental influences, can advantageously be avoided.
  • the modulation device comprises a switching device provided on the rotor for short-circuiting the secondary coil, which can be controlled by the switching signal for time-sequential short-circuiting of the secondary coil is, wherein the evaluation device is adapted to detect the induced by the temporally successive short-circuiting in the primary coil coil current modulation.
  • the modulation of the coil current of the secondary coil by short-circuiting by means of a switching device provided on the rotor can be realized in a very simple and practical manner by means of one or more electronic components, such as in particular by means of a transistor.
  • the rotor may preferably be designed in the form of a flange which can be fastened rotationally fixed on a shaft.
  • the torque measuring device according to the invention for torque measurement or torque detection on a pedal of a bicycle or for torque measurement or torque detection in the region of the pedals of a bicycle can particularly preferably be provided.
  • the method according to the invention for measuring a torque comprises the following steps: (A) measuring a torque acting on a rotor, (B) generating a switching signal dependent on the time profile or the time profile of the measured torque, (C) modulating a coil current in a secondary coil according to the switching signal, and (D) detecting the coil current modulation induced by modulating the coil current of the secondary coil in a primary coil.
  • step C of the method according to the invention can be realized in a very simple and practical manner by means of a modulation device provided on the rotor.
  • a signal is generated from the coil current modulation detected in step D, from which the time profile of the measured torque can be provided by multiplication by a constant factor. Since the coil current modulation in the primary coil-as a result of the dependence of the switching signal on the time profile of the measured torque or the time waveform of the measured torque-depends on the time profile of the measured torque, advantageously a signal can be generated by conversion or signal processing from which the time profile of the measured torque can be provided by multiplication by a constant factor.
  • the signal generation of the switching signal by the signal generating device is ratiometric, so that only a measurement of the change of the torque measurement signal is determined. Changes can be determined in terms of construction and energy with little effort, and consequently according to the task mentioned above.
  • a simple determination of changes in the torque measurement signal takes place in particular if it is permitted that a reference voltage of the signal generation device varies with the secondary coil voltage.
  • it is then possible to dispense with highly complex smoothing mechanisms since corresponding fluctuations in the voltage for determining the torque measurement signal are subject to the same fluctuations, so that overall the structural and energy costs can be limited to a minimum, as to corresponding smoothing or calibrating Measures that compensate for such voltage fluctuations can be dispensed with.
  • the above-mentioned frequency band allows a sufficiently fast frequency, to which then a signal still with sufficient signal density, for example between 100 Hz and 900 Hz.
  • frequencies above 40 kHz or more than 60 kHz and in particular more than 75 kHz have proven successful in practice, as a result, a sufficient signal density and a good energy density can be ensured.
  • frequencies below 200 kHz or below 150 kHz or below 90 kHz are advantageous because they still allow a sufficient range with reasonably simple handling of the frequencies.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment of a torque measuring device according to the invention
  • Fig. 2 is a very schematic representation of the embodiment
  • Fig. 4 corresponding to the waveform at the receiver with the decoded raw signal.
  • the exemplary embodiment of a torque measuring device 10 according to the invention shown in a sectional view in FIG. 1 has a stator 12 and a rotor 14.
  • the rotor 14 is designed in the form of a flange 14 which can be fastened on a shaft so as to be fixed against rotation or on a shaft.
  • a torque transducer 16 is provided with strain gauges 18. With the strain gauges 18, a distortion of the formed in the form of a flange rotor 14, which is proportional to the acting or transmitted torque, are detected.
  • the fixed stator 12 is arranged in sections around the rotor 14.
  • a primary coil 20 is provided which can be supplied with current from a supply voltage source (not shown in FIG. 1).
  • a secondary coil 22 is provided on the rotor 14.
  • An electronics 24 also provided on the rotor 14 includes, inter alia, a signal generating device for generating a switching signal from the torque measuring signal of the torque sensor and a modulation device for modulating the coil current in the secondary coil (not shown in detail in FIG. 1), wherein the modulation device for modulating the coil current according to the switching signal from this is controllable.
  • the torque transducer 16 provided on the rotor 14 for measuring a torque applied to the rotor 14 and for outputting an analog torque measurement signal comprises a strain gauge bridge 26.
  • the signal generator 28 for generating a switching signal from the analog torque measurement signal includes an amplifier 30 and a controller 32.
  • the controller 32 has a pulse width modulation function and is configured after amplification of the analog torque measurement signal by the amplifier 30 to generate from the amplified torque measurement signal dependent on the temporal waveform of the analog torque measurement signal switching signal, wherein the switching signal in the form of a pulse width-modulated by the analog torque measurement signal carrier signal is trained.
  • a typical frequency of this carrier signal is for example in a frequency band between 100 Hz and 900 Hz. This ensures a sufficient signal density, without affecting the other transmission parameters, in particular without the power supply of the rotor 14.
  • the controller 32 may also have a frequency modulation function and be configured to generate, after amplification of the analog torque measurement signal by the amplifier 30 from the amplified torque measurement signal, a switching signal that is frequency modulated in the form of a frequency modulated by the analog torque measurement signal Carrier signal is formed.
  • the controller 32 comprises a digital-to-analog converter provided for converting the analog torque measurement signal amplified by the amplifier 30 into a timing signal-dependent digital switching signal.
  • the primary coil 20 provided on the stator 12 can be supplied with alternating current from a supply voltage source 34, the supply voltage source 34 having a controller 36 and a transistor 38 serving as switching means 38 for providing the corresponding AC voltage in the desired AC voltage frequency. typically eg at about 40 kHz to 200 kHz, preferably at about 80 kHz, may be - is controlled by the controller 36.
  • the secondary coil 22 provided on the rotor 14 is provided for energizing the torque transducer 16 and the signal generator 28 by a secondary coil voltage of the secondary coil 22, the secondary coil voltage being from the primary coil 20 energized by the supply voltage source 34 in the secondary coil 22 is induced.
  • an electronic device 40 For smoothing and rectifying the secondary coil voltage, an electronic device 40 with smoothing function and rectifying function is also provided.
  • the modulation device 42 provided on the rotor 14 for modulating the coil current in the secondary coil 22 is controllable for modulating this coil current according to the switching signal thereof.
  • the likewise supplied by the secondary coil voltage of the secondary coil 22 with energy modulation device 42 comprises a switching Device in the form of a transistor 44 for shorting the secondary coil 22, which is the the switching signal for temporally successive short-circuiting of the secondary coil 22 can be controlled.
  • the signal generating device 28 is ratiometric in this embodiment, whereby only measured in the strain gauge bridge 26 voltage changes are measured in proportion. These measurements make it possible, in particular, to determine the ratio independently of any voltage fluctuations of the secondary coil voltage, without requiring any additional metrological effort.
  • the reference voltage of the amplifier 30 and the controller 32 which are both part of the signal generating device 28, equated the voltage supply of the strain gauge bridge 26, so that a ratiometric measurement can be performed directly and without further electronic aids. Due to the ratiometric measurement, the measurement result provided by the controller 32 is independent of any voltage voltages, since the voltage ratios of the voltage fluctuations provided by the strain gauge bridge 26 as a measurement fluctuate equally.
  • the rectifying function of the above electronic device 40 in this embodiment makes it possible to drive the transistor 44 to short-circuit the secondary coil 22, which operates only when the current is rectified.
  • the electronic device 40 further comprises - not shown - capacitors and diodes to the short-circuiting of the secondary coil 22 through the transistor 44 in its possibly damaging effect on the controller 32 and the amplifier 30 of the signal-generating device 28 and in his possibly Damaging effect on the torque transducer 16 to weaken advantageous.
  • An evaluation device 46 provided on the stator 12 is arranged to detect the coil current modulation induced by modulating the coil current of the secondary coil 22 in the primary coil 20, ie the coil current modulation induced by the temporally successive short-circuiting in the primary coil 20 , To avoid the short-circuit To separate in the primary coil 20 induced coil current modulation of higher-frequency components, the evaluation device 46 has a low-pass filter (not shown in detail).
  • the embodiment of the torque measuring device 10 according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 can accordingly be used in particular for carrying out an embodiment of a method according to the invention for measuring a torque, which comprises the following steps:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung, mit einem Stator, einem Rotor, einem an dem Rotor vorgesehenen Drehmomentmessaufnehmer, einer Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal, wenigstens einer an dem Stator vorgesehenen Primärspule, die von einer Versorgungsspannungsquelle mit Wechselstrom bestrombar ist, wenigstens einer an dem Rotor vorgesehenen Sekundärspule zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers und der Signal-Erzeugungseinrichtung, wobei die Sekundärspulen-Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle bestromten Primärspule in der Sekundärspule induziert wird, wenigstens einer an dem Rotor vorgesehenen Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule, wenigstens einer an dem Stator vorgesehenen Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments.

Description

Drehmomentmesseinrichtung und Verfahren zum Messen eines Drehmoments
[01 ] Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments.
[02] Einen Stator und einen Rotor aufweisende Drehmomentmesseinrichtungen sind bekannt. Der Rotor wird zum Messen des jeweiligen Drehmoments drehfest auf der das zu messende Drehmoment übertragenden Einrichtung befestigt, wobei das auf den Rotor wirkende bzw. übertragene Drehmoment mittels eines Drehmomentmessaufnehmers gemessen wird, der an dem Rotor vorgesehen ist. Das gemessene Drehmomentmesssignal wird meist in ein Frequenz- oder Digitalsignal umgesetzt und anschließend berührungslos auf eine am dem Stator vorgesehene Signal-Empfangseinrichtung übertragen, welcher wenigstens abschnittsweise um den Rotor herum angeordnet ist.
[03] Die berührungslose Übertragung erfolgt beispielsweise bei einer aus der WO 2009/062481 AI bekannten Lösung durch Ansteuern einer an dem Rotor vorgesehenen Leuchtdiode durch ein mittels des Messsignals frequenzmodulierten Signals und Empfangen des durch die Ansteuerung bereitgestellten frequenzmodulierten Lichtsignals mittels einer Signal-Empfangseinrichtung in Form einer an dem Rotor vorgesehenen Fotozelle. Bei der aus der DE 10 2004 015 771 B4 bekannten Lösung erfolgt die berührungslose Übertragung des frequenzmodulierten Signals an den Stator induktiv bzw. durch induktives Einkoppeln. Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass für deren Herstellung komplex aufgebaute Bauteile bereitgestellt bzw. eigens hergestellt werden müssen, einhergehend mit einem hohen Herstellungsaufwand und hohen Herstellungskosten.
[04] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmesseinrichtung anzugeben, die im Vergleich zu den bekannten Lösungen wesentlich kostengünstiger herstellbar ist, und ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments anzugeben, welches im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit wesentlich geringerem Kosteneinsatz durchführbar ist.
BESTÄTIGUNGSKOPIE [05] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Drehmomentmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Messen eines Drehmoments mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
[06] Die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung weist einen an dem Rotor vorgesehenen Drehmomentmessaufnehmer zum Messen eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments und zur Ausgabe eines Drehmoment-Messsignals auf. Des weiteren umfasst die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung eine Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal, wenigstens eine an dem Stator vorgesehene Primärspule, die von einer Versorgungsspannungsquelle mit Wechselstrom bestrombar ist, wenigstens eine an dem Rotor vorgesehenen Sekundärspule, die zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers und der Signal-Erzeugungseinrichtung durch eine Sekundärspulen-Spannung der Sekundärspule vorgesehen ist, wobei die Sekundärspulen-Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle bestromten Primärspule in der Sekundärspule induziert wird, wenigstens eine an dem Rotor vorgesehene Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule, wobei die Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms gemäß dem Schaltsignal von diesem ansteuerbar ist, und wenigstens eine an dem Stator vorgesehene Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen.
[07] Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert auf dem Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule gemäß dem Schaltsignal mittels der Modulationsvorrichtung und dem Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierten Spulenstrom-Modulation mittels der Auswerteeinrichtung. Die Modulation des Spulenstroms in der Sekundärspule bzw. die Spulenstrom-Modulation in der Primärspule hängt von dem zeitlichen Signalverlauf des Drehmoment-Messsignals ab, da auch das durch die Signal-Erzeugungseinreichung erzeugte Schaltsignal bzw. Modulationssignal von dem zeitlichen Signalverlauf bzw. dem zeitlichen Verlauf des Drehmoment-Messsignals abhängt. Diese Funktionsweise ermöglicht es also durch eine auf einfache und praktische Weise vornehmbare Modulation des Spulenstroms in der Sekundärspule die in dem Drehmoment-Messsignal enthaltene Information über das auf den Rotor einwirkende bzw. übertragene Drehmoment berührungslos auf den Stator bzw. die Auswerteeinheit zu übertragen. Die zur Realisierung dieser Übertragung insbesondere erforderliche Signal-Erzeugungseinrichtung und Modulationsvorrichtung, können vorteilhaft auf einfache und praktische Weise z.B. aus kostengünstigen elektronischen Bauteilen aufgebaut bzw. gebildet werden, einhergehend mit einer wesentlichen Reduzierung des Herstellungsaufwands und der Herstellungskosten gegenüber den bekannten Lösungen.
[08] Der Stator ist vorzugsweise wenigstens abschnittsweise oder zur Gänze um den Rotor herum angeordnet.
[09] Bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehmomentmessein- richtung ist das Drehmoment-Messsignal ein analoges Drehmoment-Messsignal bzw. der Drehmomentmessaufnehmer ist eingerichtet, dass Messergebnis als analoges Drehmoment- Messsignal auszugeben. Vorzugsweise ist bei dieser praktischen Ausführungsform die Signal- Erzeugungseinrichtung eingerichtet, aus dem analogem Drehmoment-Messsignal ein von dem zeitlichen Signalverlauf des analogen Drehmoment-Messsignals abhängiges Schaltsignal bzw. Modulationssignal zu erzeugen, wobei das Schaltsignal bzw. Modulationssignal bevorzugt ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal frequenzmoduliertes Trägersignal oder bevorzugt ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal pulsbreitenmoduliertes Trägersignal ist. Durch die vorgesehene Frequenzmodulation oder Pulsbreitenmodulation können vorteilhaft Verfälschungen durch Amplitudenänderungen, die durch Umgebungseinflüsse auftreten können, beim Übertragen vermieden werden.
[10] Bei der obigen praktischen Ausführungsform kann die Signal-Erzeugungseinrichtung auch einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln des analogen Drehmoment-Messsignals in ein von dem zeitlichen Signalverlauf abhängiges digitales Schaltsignal aufweisen. Auch durch eine Digitalisierung des analogen Drehmoment-Messsignals können vorteilhaft Verfäl- schungen durch Amplitudenänderungen beim Übertragen, die durch Umgebungseinflüsse auftreten können, vermieden werden.
[1 1] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Modulationsvorrichtung eine an dem Rotor vorgesehene Schaltvorrichtung zum Kurzschließen der Sekundärspule, die von dem Schaltsignal zum zeitlich aufeinanderfolgenden Kurzschließen der Sekundärspule ansteuerbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, die durch das zeitlich aufeinander folgende Kurzschließen in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen. Die Modulation des Spulenstroms der Sekundärspule durch Kurzschließen mittels einer an dem Rotor vorgesehenen Schaltvorrichtung kann auf sehr einfache und praktische Weise mittels eines oder mehrerer elektronischer Bauteile, wie insbesondere mittels eines Transistors, realisiert werden.
[12] Zum Messen bzw. Erfassen des von einer Welle übertragenen Drehmoments kann der Rotor vorzugsweise in Form eines drehfest auf einer Welle befestigbaren Flansches ausgebildet sein.
[ 13] Aufgrund des oben dargelegten einfachen und kostengünstigen Aufbaus der erfindungs- gemäßen Drehmomentmesseinrichtung eignet sich diese insbesondere für die Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung von rotierbaren Teilen an Vorrichtungen, die im Alltagsgebrauch zum Einsatz kommen - also insbesondere für solche Vorrichtungen, die in einer großen Vielzahl hergestellt werden und bei denen eine kostenoptimierte Herstellung im Vordergrund steht. Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Drehmomentmess- einrichtung zur Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung an einer Pedale eines Fahrrads bzw. zur Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung im Bereich der Pedale eines Fahrrads vorgesehen sein.
[14] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen eines Drehmoments umfasst die folgenden Schritte: (A) Messen eines auf einen Rotor einwirkenden Drehmoments, (B) Erzeugen eines von dem zeitlichen Verlauf bzw. dem zeitlichen Signalverlauf des gemessenen Drehmoments abhängigen Schaltsignals, (C) Modulieren eines Spulenstroms in einer Sekundärspule gemäß dem Schaltsignal, und (D) Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in einer Primärspule induzierten Spulenstrom-Modulation.
[ 15] Durch die Bennennung der Schritte mit den Buchstaben A bis D wird keine ausschließliche Bindung an eine zeitliche Reihenfolge verfolgt. Die Buchstaben dienen lediglich der Bennennung bzw. Kennzeichnung der Schritte. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere derart durchführbar, dass Schritte A bis D zeitgleich bzw. im Wesentlichen zeitgleich durchgeführt werden. [16] Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung durchführbar. Wie dem bereits oben für die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung Dargelegten zu entnehmen, ist das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit wesentlich geringerem Kosteneinsatz durchführbar. Insbesondere Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf sehr einfache und praktische Weise mittels einer an dem Rotor vorgesehenen Modulationsvorrichtung realisiert werden.
[17] Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der in Schritt D erfassten Spulenstrom-Modulation ein Signal erzeugt, aus welchem der zeitliche Verlauf des gemessenen Drehmoments durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bereitstellbar ist. Da die Spulenstrom-Modulation in der Primärspule - infolge der Abhängigkeit des Schaltsignals von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments bzw. dem zeitlichen Signalverlauf des gemessenen Drehmoments - von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments abhängt, kann vorteilhaft durch Umrechnung bzw. Signalverarbeitung ein Signal erzeugt werden, aus welchem der zeitliche Verlauf des gemessenen Drehmoments durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bereitstellbar ist.
[ 18] Vorzugsweise erfolgt die Signalerzeugung des Schaltsignals durch die Signalerzeugungseinrichtung ratiometrisch, so dass lediglich eine Messung der Veränderung des Drehmoment-Messsignals ermittelt wird. Veränderungen lassen sich bei baulich und energetisch geringem Aufwand, und mithin entsprechend der eingangs genannten Aufgabe, ermitteln.
[ 19] Eine einfache Ermittlung von Veränderungen des Drehmoment-Messsignals erfolgt insbesondere dann, wenn zugelassen wird, dass eine Referenzspannung der Signalerzeugungseinrichtung mit der Sekundärspulen-Spannung schwankt. Insbesondere ist es dann möglich, auf hoch komplexe Glättungsmechanismen zu verzichten, da entsprechende Schwankungen der Spannung zur Ermittlung des Drehmoment-Messsignals denselben Schwankungen unterworfen sind, so dass insgesamt der bauliche und energetische Aufwand auf ein Minimum begrenzt werden können, da auf entsprechende glättende oder kalibrierende Maßnahmen, die derartige Spannungsschwankungen kompensieren, verzichtet werden kann. [20] Eine hohe Signalausbeute und mithin ein baulich einfacher Aufbau, der auf komplexe Signalerzeugungsvorgänge und Verstärkersysteme verzichten kann, erfolgt, wenn die Primärspule mit Wechselstrom zwischen 40 kHz und 200 kHz bestromt wird bzw. bestrombar ist. Bei diesen Frequenzen liegt auch unter widrigen Systembedingen eine ausreichende Reichweite des Signals vor, so dass betriebssicher eine Signalübertragung erfolgen kann. Auch trägt eine derartige Frequenz bereits ausreichend viel Energie, um den Rotor betriebssicher versorgen zu können, ohne dass die Reichweite der entsprechenden Signalübertragung zu gering wäre, was bei höheren Frequenzen zu befürchten ist. Andererseits ermöglicht das vorstehend genannte Frequenzband eine ausreichend schnelle Frequenz, auf welche dann ein Signal noch mit ausreichender Signaldichte, beispielsweise zwischen 100 Hz und 900 Hz.
[21] Als Frequenz, welche der Primärspule aufgeprägt wird, haben sich insbesondere Frequenzen über 40 kHz bzw. über 60 kHz und insbesondere über 75 kHz in der Praxis bewährt, da hierdurch eine ausreichende Signaldichte sowie eine gute Energiedichte gewährleistet werden kann. [22] Andererseits sind insbesondere Frequenzen unter 200 kHz bzw. unter 150 kHz bzw. unter 90 kHz vorteilhaft, da diese noch eine ausreichende Reichweite bei vertretbar einfachem Handling der Frequenzen ermöglichen.
[23] Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen dargestellten Lösungen sowohl einzeln als auch gemeinsam zur Anwendung kommen können, wobei letzteres entsprechend eine Kumulation der Vorteile der entsprechenden Merkmale bedingt.
[24] Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung, und
Fig. 2 eine sehr schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 beispielhaft den Signalverlauf am Sender unter einer Lastmodulation der Speisespannung; und
Fig. 4 entsprechend den Signalverlauf am Empfänger mit dem dekodierten Rohsignal. [25] Das in Fig. 1 in Schnittdarstellung dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung 10 weist einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf. Zum Messen bzw. Erfassen des von einer Welle übertragenen Drehmoments ist der Rotor 14 in Form eines drehfest auf bzw. an einer Welle befestigbaren Flansches 14 ausgebildet. An dem Rotor 14 ist ein Drehmomentmessaufnehmer 16 mit Dehnungsmessstreifen 18 vorgesehen. Mit den Dehnungsmessstreifen 18 kann eine Verwindung des in Form eines Flansches ausgebildeten Rotors 14, die zum wirkenden bzw. übertragenen Drehmoment proportional ist, erfasst werden.
[26] Der feststehende bzw. unbewegliche Stator 12 ist abschnittsweise um den Rotor 14 herum angeordnet. An dem Stator 12 ist eine Primärspule 20 vorgesehen, die von einer Versorgungsspannungsquelle mit Wechselstrom bestrombar ist (in Fig. 1 nicht dargestellt). An dem Rotor 14 ist eine Sekundärspule 22 vorgesehen. Eine ebenfalls an dem Rotor 14 vorgesehene Elektronik 24 umfasst unter anderem eine Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal des Drehmomentmessaufnehmers und eine Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule (in Fig. 1 nicht näher dargestellt), wobei die Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms gemäß dem Schaltsignal von diesem ansteuerbar ist.
[27] Anhand der Fig. 2, die eine sehr schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels zeigt, wird nachfolgend der Aufbau der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung näher erläutert. [28] Der an dem Rotor 14 vorgesehene Drehmomentmessaufnehmer 16 zum Messen eines auf den Rotor 14 einwirkenden Drehmoments und zur Ausgabe eines analogen Drehmoment- Messsignals weist eine Dehnungsmessstreifen-Brücke 26 auf.
[29] Die Signal-Erzeugungseinrichtung 28 zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem analogen Drehmoment-Messsignal umfasst einen Verstärker 30 und einen Controller 32. Der Controller 32 weist eine Pulsbreitenmodulationsfunktion auf und ist eingerichtet, nach erfolgter Verstärkung des analogen Drehmoment-Messsignals durch den Verstärker 30 aus dem verstärkten Drehmoment-Messsignal ein von dem zeitlichen Signalverlauf des analogen Drehmoment-Messsignals abhängiges Schaltsignal zu erzeugen, wobei das Schaltsignal in Form eines durch das analoge Drehmoment-Messsignal pulsbreitenmodulierten Trägersignals ausgebildet ist. Eine typische Frequenz dieses Trägersignals liegt z.B. in einem Frequenzband zwischen 100 Hz und 900 Hz. Dieses gewährleistet eine ausreichende Signaldichte, ohne die übrigen Übertragungsparameter, insbesondere auch ohne die Energieversorgung des Rotors 14, zu beeinträchtigen. [30] Alternativ kann der Controller 32 auch eine Frequenzmodulationsfunktion aufweisen und eingerichtet sein, nach erfolgter Verstärkung des analogen Drehmoment-Messsignals durch den Verstärker 30 aus dem verstärkten Drehmoment-Messsignal ein Schaltsignal zu erzeugen, das in Form eines durch das analoge Drehmoment-Messsignal frequenzmodulierten Trägersignals ausgebildet ist. Eine weitere Alternative kann vorsehen, dass der Controller 32 einen Digital- Analog- Wandler aufweist, der zum Umwandeln des durch den Verstärker 30 verstärkten analogen Drehmoment-Messsignals in ein von dem zeitlichen Signalverlauf abhängiges digitales Schaltsignal vorgesehen ist.
[31] Die am Stator 12 vorgesehene Primärspule 20 ist von einer Versorgungsspannungs- quelle 34 mit Wechselstrom bestrombar, wobei die Versorgungsspannungsquelle 34 einen Controller 36 und einen Transistor 38 aufweist, welcher als Schaltmittel 38 zum Bereitstellen der entsprechenden Wechselspannung in der erwünschen Wechselspannungs-Frequenz - die typischerweise z.B. bei ca. 40 kHz bis 200 kHz, vorzugsweise bei etwa 80 kHz, liegen kann - von dem Controller 36 angesteuert wird.
[32] Die an dem Rotor 14 vorgesehene Sekundärspule 22 ist zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers 16 und der Signal-Erzeugungseinrichtung 28 durch eine Sekundärspulen-Spannung der Sekundärspule 22 vorgesehen, wobei die Sekundärspulen- Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle 34 bestromten Primärspule 20 in der Sekundärspule 22 induziert wird. Zum Glätten und Gleichrichten der Sekundärspulen- Spannung ist ferner eine elektronische Einrichtung 40 mit Glättungsfunktion und Gleichricht- funktion vorgesehen.
[33] Die an dem Rotor 14 vorgesehene Modulationsvorrichtung 42 zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule 22 ist zum Modulieren dieses Spulenstroms gemäß dem Schaltsignal von diesem ansteuerbar. Die ebenfalls von der Sekundärspulen-Spannung der Sekundärspule 22 mit Energie versorgte Modulationsvorrichtung 42 umfasst eine Schalt- Vorrichtung in Form eines Transistors 44 zum Kurzschließen der Sekundärspule 22, die der dem Schaltsignal zum zeitlich aufeinanderfolgenden Kurzschließen der Sekundärspule 22 ansteuerbar ist.
[34] Die Signal-Erzeugungseinrichtung 28 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ratiometrisch ausgebildet, wodurch lediglich in der Dehnungsmessstreifen-Brücke 26 gemessene Spannungsänderungen im Verhältnis gemessen werden. Diese Messungen ermöglichen es insbesondere, das Verhältnis unabhängig von etwaigen Spannungsschwankungen der Sekundärspulen-Spannung zu ermitteln, ohne dass noch zusätzlicher messtechnischer Aufwand notwendig wäre. Insbesondere ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Referenzspannung des Verstärkers 30 und des Controllers 32, die beide Bestandteil der Signal-Erzeugungseinrichtung 28 sind, der Spannungs Versorgung der Dehnungsmessstreifen-Brücke 26 gleichgesetzt, so dass eine ratiometrische Messung unmittelbar und ohne weitere elektronische Hilfsmittel durchgeführt werden kann. Aufgrund der ratiometrischen Messung ist das durch den Controller 32 bereitgestellte Messergebnis unabhängig von etwaigen Spannungsspannungen, da die Spannungsverhältnisse der durch die Dehnungsmessstreifen-Brücke 26 als Messung gelieferten Spannungsschwankungen gleichermaßen schwanken.
[35] Die Gleichrichtfunktion der obigen elektronischen Einrichtung 40 ermöglicht bei diesem Ausführungsbeispiel die Ansteuerung des Transistors 44 zum Kurzschließen der Sekundärspule 22, das dieser nur bei gleichgerichtetem Strom wirkt bzw. arbeitet. Die elektronische Einrichtung 40 weist ferner- nicht dargestellte - Kondensatoren und Dioden auf, um das Kurzschließen der Sekundärspule 22 durch den Transistor 44 in seiner ggf. schädigenden Wirkung auf den Controller 32 und den Verstärker 30 der Signal-Erzeugungsein- richtung 28 und in seiner ggf. schädigenden Wirkung auf den Drehmomentmessaufnehmer 16 vorteilhaft zu schwächen. [36] Eine an dem Stator 12 vorgesehene Auswerteeinrichtung 46 ist eingerichtet, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule 22 in der Primärspule 20 induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen, also die durch das zeitlich aufeinander folgende Kurzschließen in der Primärspule 20 induzierte Spulenstrom-Modulation. Um die durch das Kurzschlie- ßen in der Primärspule 20 induzierte Spulenstrom-Modulation von höherfrequenten Anteilen zu trennen, weist die Auswerteeinrichtung 46 einen Tiefpass (nicht näher dargestellt) auf.
[37] Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung 10 kann dementsprechend insbesondere zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Drehmoments verwendet werden, welches die folgenden Schritte umfasst:
(A) Messen des auf den Rotor 14 einwirkenden Drehmoments,
(B) Erzeugen eines von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments abhängigen Schaltsignals durch die Signal-Erzeugungseinrichtung 28, (C) Modulieren eines Spulenstroms in der Sekundärspule 22 gemäß dem Schaltsignal durch die Modulationsvorrichtung 42 , und
(D) Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule 22 in der Primärspule 20 induzierten Spulenstrom-Modulation durch die Auswerteeinrichtung 46. [38] So kann beispielsweise, wie in Figuren 3 und 4 exemplarisch dargestellt, indem zwischen zwei Messpunkten 48 und 50 der Signalverlauf senderseitig, also auf Seiten des Rotors, gemessen wird (siehe Figur 3), ein Drehmoment-Messsignal, welches auf die Speisespannung von ungefähr 80kHz mit 250 Hz bis 450 Hz entsprechend übertragen, beispielsweise an einem Messpunkt 52 gegen Masse gemessen (siehe Figur 4 oben) und entsprechend dekodiert (siehe Fig. 4 unten) werden. Auf diese Weise gelingt betriebssicher eine ausreichende Auswertung insbesondere mit minimalem baulichem und energetischen Aufwand.
Bezugszeichenliste:
10 Drehmomentmesseinrichtung
12 Stator
14 Rotor
16 Drehmomentmessaufnehmer
18 Dehnungsmessstreifen
20 Primärspule
22 Sekundärspule
24 Elektronik
26 Dehnungsmessstreifen-Brücke
28 Signal-Erzeugungseinrichtung
30 Verstärker
32 Controller
34 Versorgungsspannungsquelle
36 Controller
38 Transistor
40 elektronische Einrichtung
42 Modulationsvorrichtung
44 Transistor
46 Au s werteei nrichtung
48 Messpunkt Signalverlauf Sender
50 Messpunkt Signalverlauf Sender
52 Messpunkt Signalverlauf Empfänger

Claims

Drehmomentmesseinrichtung (10), mit
- einem Stator ( 12),
- einem Rotor ( 14),
- einem an dem Rotor ( 14) vorgesehenen Drehmomentmessaufnehmer ( 16) zum Messen eines auf den Rotor ( 14) einwirkenden Drehmoments und zur Ausgabe eines Drehmoment-Messsignals,
- einer Signal-Erzeugungseinrichtung (28) zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal,
- wenigstens einer an dem Stator ( 12) vorgesehenen Primärspule (20), die von einer Versorgungsspannungsquelle (34) mit Wechselstrom bestrombar ist,
- wenigstens einer an dem Rotor ( 14) vorgesehenen Sekundärspule (22), die zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers ( 16) und der Signal- Erzeugungseinrichtung (28) durch eine Sekundärspulen-Spannung der Sekundärspule (22) vorgesehen ist, wobei die Sekundärspulen-Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle (34) bestromten Primärspule (20) in der Sekundärspule (22) induziert wird,
- wenigstens einer an dem Rotor ( 14) vorgesehenen Modulationsvorrichtung (42) zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule (22), wobei die Modulationsvorrichtung (42) zum Modulieren des Spulenstroms gemäß dem Schaltsignal von diesem ansteuerbar ist,
- wenigstens einer an dem Stator (12) vorgesehenen Auswerteeinrichtung (46), die eingerichtet ist, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule (22) in der Primärspule (20) induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen.
2. Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (28) ratiometrisch aus dem Drehmoment-Messsignal ein Schaltsignal erzeugt.
Drehmomentmesseinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzspannung der Signalerzeugungseinrichtung (28) mit der Sekundärspulen-Spannung schwankt.
Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Primärspule (20) von der Versorgungsspannungsquelle (34) mit Wechselstrom zwischen 40 kHz und 200 kHz bestrombar ist.
Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment-Messsignal ein analoges Drehmoment-Messsignal ist.
Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Erzeugungseinrichtung (28) eingerichtet ist, aus dem analogem Drehmoment- Messsignal ein von dem zeitlichen Signalverlauf des analogen Drehmoment- Messsignals abhängiges Schaltsignal zu erzeugen.
Drehmomentmesseinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Erzeugungseinrichtung 828) einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln des analogen Drehmoment-Messsignals in ein von dem zeitlichen Signalverlauf abhängiges digitales Schaltsignal aufweist.
Drehmomentmesseinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal frequenzmoduliertes Trägersignal ist.
Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal pulsbreiten- moduliertes Trägersignal ist.
Drehmomentmesseinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsvorrichtung (42) eine an dem Rotor (14) vorgesehene Schaltvorrichtung (44) zum Kurzschließen der Sekundärspule (22) umfasst, die von dem Schaltsignal zum zeitlich aufeinanderfolgenden Kurzschließen der Sekundärspule (22) ansteuerbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (46) eingerichtet ist, die durch das zeitlich aufeinander folgende Kurzschließen in der Primärspule (20) induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen.
Drehmomentmesseinrichtung ( 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) in Form eines drehfest auf einer Welle befestigbaren Flansches ausgebildet ist.
Verfahren zum Messen eines Drehmoments, umfassend die folgenden Schritte:
(A) Messen eines auf einen Rotor
( 14) einwirkenden Drehmoments,
(B) Erzeugen eines von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments abhängigen Schaltsignals,
(C) Modulieren eines Spulenstroms in einer Sekundärspule (22) gemäß dem Schaltsignal, und
(D) Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule (22) in einer Primärspule (20) induzierten Spulenstrom-Modulation.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus der in Schritt (D) erfassten Spulenstrom-Modulation ein Signal erzeugt wird, aus welchem der zeitliche Verlauf des gemessenen Drehmoments durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bereitstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal ratiometrisch, insbesondere unter Verwendung einer mit einer Sekundärspulen- Spannung schwankenden Referenzspannung, erzeugt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (20) mit Wechselstrom zwischen 40 kHz und 200 kHz bestromt wird.
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