DE3411773C2

DE3411773C2 - Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle

Info

Publication number: DE3411773C2
Application number: DE3411773A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Dr. 7000 Stuttgart Forkel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1987-02-12
Also published as: JPS618670A; JPH0528347B2; US4626781A; FR2562253A1; FR2562253B1; CH669269A5; IT8547882A1; IT8547882A0; IT1181959B; GB2157002A; GB2157002B; DE3411773A1; GB8508292D0

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle mit einem mit dieser umlaufenden Bewegungsgeber beschrieben, welche aus einem den Bewegungsgeber abtastenden magnetfeldabhängigen Sensor, einem in dessen Nähe angeordneten Permanentmagneten und einer Auswerteschaltung besteht, wobei der Sensor integrierender Bestandteil der Auswerteschaltung ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Permanentmagneten zum Sensor und vom Permanentmagnet und Sensor zum Bewegungsgeber einerseits und die Ausgestaltung des Sensors als Sättigungskernsonde (Fluxgate-Effekt) andererseits ist es möglich, auch sehr langsame Drehbewegungen zu erfassen, wie sie z. B. bei Antiblockiersystemen oder Vortriebsregelungen in Kraftfahrzeugen vorkommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder eines Drehzahlwinkels einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Insbesondere im Automobilbereich werden vorwiegend Induktivgeber eingesetzt, da diese robust und einfach aufgebaut sind und einen großen Arbeitstemperaturbereich aufweisen. Ihre Anwendung ist jedoch bei der Erfassung sehr niedriger Drehzahlen, wie sie z. B. bei Antiblockiersystemen oder der Vortriebsregelung vorkommen, mit Problemen verbunden, da deren Ausgangssignal drehzahlunabhängig ist.
Auch die gattungsgemäße Vorrichtung nach der DE-OS 32 05 625, welche einen Induktivgeber mit zwei Sensorspulen benutzt und bei welcher der Quotient der beiden Spuleninduktivitäten ausgewertet wird, schafft hier keine Abhilfe, da lediglich eventuelle Luftspaltschwankungen zwischen Sensor und Bewegungsgeber eliminiert werden.
Desweiteren ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle bekannt (US-PS 35 73 619), bestehend aus einem einen als Schlitzblende ausgebildeten Bewegungsgeber abtastenden und mit Abstand von diesem angeordneten, magnetfeldunabhängigen Sensor aus einem dünnen, weichmagnetischen Flachbandkern mit einer auf diesen gewickelten Spule sowie zwei auf diesem angeordneten Permanentmagneten. Diese Permanentmagnete sind auf dem Flachbandkern so angeordnet, daß deren gleichmäßige Pole einander zugewandt liegen, so daß sich der Magnetfluß beider Magnete im Kern verstärkt, wobei die Feldlinien in der Längserstreckung des Kernes verlaufen. Dieses magnetische Grundfeld wird in seiner Stärke durch den sich vorbeibewegenden magnetischen Bewegungsgeber moduliert, was zu einer Änderung der Induktionsspannung führt, welche an der Spule abgenommen wird. Folglich ist auch bei diesem Induktivgeber dessen Ausgangssignal drehzahlabhängig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung unter Beibehaltung der bewährten Vorteile eines Induktivgebers so weiterzubilden, daß auch die Abtastung sehr langsamer Drehbewegungen ermöglicht wird, insbesondere ohne den Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Bewegungsgeber verringern zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Vorteile von Robustheit und großem Temperaturbereich des Induktivgebers mit dem Vorteil der unteren Frequenzgrenze Null vereinigt. Vorteilhaft ist ferner die hohe Empfindlichkeit, welche einen relativ großen Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Bewegungsgeber ermöglicht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtungen möglich.
So kann in Abhängigkeit der Einbauverhältnisse ohne Beinträchtigung der Vorteile der Vorrichtung diese - bezogen auf den Bewegungsgeber - sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zum Bewegungsgeber angeordnet werden, wobei trotz Hintereinanderanordnung von Permanentmagnet und Sensor in ihrer Längserstreckung die extrem kleine Bauweise von weiterem Vorteil ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1a in schematischer Darstellung die Anordnung der Vorrichtung in radialer Erstreckung bezogen auf den Bewegungsgeber,
Fig. 1b in schematischer Darstellung die Anordnung der Vorrichtung in axialer Erstreckung bezogen auf den Bewegungsgeber,
Fig. 1c in schematischer Darstellung die Anordnung der Vorrichtung in radialer Erstreckung, wobei jedoch der Permanentmagnet aus zwei, auf dem Flachbandkern aufgebrachten Teilmagneten besteht,
Fig. 2a die Wirkungsweise des Prinzips bei ungestörtem Feldlinienverlauf,
Fig. 2b bei durch Ablenkung nach oben gestörtem Feldlinienverlauf,
Fig. 2c bei durch Ablenkung nach unten gestörtem Feldlinienverlauf,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung der Vorrichtung, in welche die Sensorspule integriert ist und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung, in welche die Sensorspule integriert ist.
In den Fig. 1a und 1c ist ein Bewegungsgeber 1 in Form eines Zahnrades dargestellt, welches mit der Welle, deren Drehzahl zu bestimmen ist, verbunden ist. Die magnetisch hoch wirksamen Bereiche des Bewegungsgebers 1 werden hierbei von den Zähnen 2 und die magnetisch schwach wirksamen Bereiche von den Zahnlücken 3 gebildet. In radialer Richtung 4 des Bewegungsgebers 1 ist mit Abstand von dem Zahn 2 ein quadratförmiger Permanentmagnet 5 - wegen den möglichen kleinen Abmessungen vorzugsweise aus einer Samarium- Kobalt-Legierung bestehend - so angeordnet, daß dessen Pole 5&min; und 5&min;&min; und somit auch dessen magnetische Achse 5&min;&min;&min; in Umfangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung 6 des Bewegungsgebers 1 ausgerichtet sind. Die Abmessungen des Permanentmagneten sind hierbei so gewählt, daß dessen Breite in etwa der Breite des Zahnes 2 - Fig. 1a - bzw. der Höhe des Zahnes 2 - Fig. 1b - und dessen Dicke in etwa der Dicke des Zahnes 2 entspricht. In radialer Richtung 4 ist desweiteren mit geringem Abstand zum Permanentmagnet 5 und mit diesem in einer Ebene liegend der Sensor 7 angeordnet. Dieser besteht aus einem dünnen, weichmagnetischen, vorzugweise hohe Permeabilität und niedrige Hysterese- und Wirbelstromverluste aufweisenden Flachbandkern 8 - besonders vorteilhaft hat sich die amorphe Legierung Vitrovac 6025 X in Form von dünnen (25 Mikrometer) Bändern erwiesen - und einer auf diesem q er zur Längsrichtung gewickelten Spule 9 mit Spulenanschlüssen 10 und 11. Der Sensor 7 wird beispielsweise so hergestellt, daß ein Stück Flachband aus o. g. Legierung mit den Abmessungen 20 × 2,5 × 0,025 mm zwischen zwei dünne Keramikplättchen mit den Abmessungen 20 × 3 × 3 × 0,5 mm eingelegt und mit diesen verklebt wird; der so entstandene Spulenkörper wird dann mit ca. 250 - 500 Windungen hitzebeständig isoliertem Kupferdraht mit z. B. 0,1 mm Durchmesser bewickelt; alternativ können die Spule und/oder die amorphe Legierung auch als Metallfilm auf das Flachband aufgebracht werden, z. B. nach der Dünn- oder Dickfilmtechnik. Gemäß Fig. 1c können auf dem Flachbandkern 8 des weiteren noch die beiden Teilmagnete 5.1 und 5.2 des Permanentmagneten 5 angeordnet sein, wenn dieser insbesondere aus Herstellungsgründen zweiteilig ausgebildet wird.
Der Sensor 7 ist nun gegenüber dem Permanentmagnet 5 so angeordnet, daß die Längserstreckung des Flachbandkernes 8 in radialer Richtung 4 verläuft - also lotrecht zur magnetischen Achse 5&min;&min;&min; und zum Bewegungsgeber 1 bzw. dem Zahn 2 - und die Flachseiten 8&min; in tangentialer Richtung 6 liegen. Hiervon unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b nur dadurch, daß der Magnet 5 und der Sensor 7 statt in radialer Richtung 4 in axialer Richtung 12 des Bewegungsgebers 1 und in dessen Umfangsnähe angeordnet sind.
Liegen nun wie in Fig. 2a dargestellt ein Zahn 2 des Bewegungsgebers 1, der Permanentmagnet 5 und der Sensor 7 in radialer Richtung 4 auf einer Ebene, so durchsetzen die Feldlinien des Permanentmagneten 5 einerseits die Flachseite 8&min; des Flachbandkerns 8 und andererseits den Zahn 2 senkrecht. Bei dieser idealen Symmetrie der Anordnung und somit ungestörtem Feldlinienverlauf ist in radialer Richtung 4 bzw. in Längsrichtung des Sensors eine Feldkomponente nicht vorhanden. Durch zusätzliche Flußleitbleche 13 aus einer weichmagnetischen Legierung, z. B. Permenorm, kann, falls erforderlich, eine bessere Konzentration der Feldlinien auf den Sensor erreicht werden, wobei durch entsprechende Formgestaltung derselben dafür zu sorgen ist, daß keine zusätzliche Wirbelstromdämpfung bei höheren Drehzahlen auftritt. Die gesamte Anordnung selbst ist wiederum in ein geeignetes schützendes Gehäuse 14, vorzugsweise aus einem magnetisch abschirmenden Material, eingebaut, welches mit den bekannten Mitteln zur Montage von Induktivgebern versehen ist, sowie für eine Zugentlastung der Spulenanschlüsse 10, 11 sorgt.
Wird nun über den ferromagnetischen Rückschluß der Feldlinien über einen sich vorbeibewegenden Zahn 2 die Symmetrie der Feldverteilung gestört, so durchsetzen die Feldlinien des Permanentmagneten 5 - siehe Fig. 2b und Fig. 2c - den Sensor 7 nicht mehr senkrecht und es tritt eine Feldkomponente 15 in Längsrichtung des Sensors (entspricht der radialen Richtung 4) auf, welche eine Vormagnetisierung des Flachbandkernes 8 in dessen Längsrichtung bewirkt. Je nach Abkenkung der Feldverteilung ist hierbei die Feldkomponente 15 entweder zum Permanentmagnet 5 hin gerichtet - Fig. 2b zeigt die Ablenkung der Feldverteilung durch den Zahn 2 nach oben - oder vom Permanentmagent 5 weg gerichtet - Fig. 2c zeigt die Ablenkung der Feldverteilung durch den Zahn 2 nach unten -, so daß aus der Vormagnetisierungsrichtung der Feldkomponente 15 auch eine Unterscheidung möglich ist, ob eine Feldverzerrung durch den Zahn 2 von oben oder unten überwiegt. Wie aus Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich, ist der Sensor 7 integraler Bestandteil einer Auswerteschaltung A, derart, daß die Spule 9 über die Spulenanschlüsse 10 und 11 in den Schaltkreis integriert ist. Von der Auswerteschaltung A wird die Spule 9 mit einem eingeprägten Wechselstrom hoher Frequenz (z. B. 100 kHz) gespeist und der Flachbandkern 8 dadurch in die Sättigung gesteuert. Bei gestörter Feldverteilung und somit auftretender Feldkomponente 15 in Längsrichtung des Sensors 7 gerät der Flachbandkern 8 in der Halbwelle, in welcher das Wechselfeld der Vormagnetisierungsfeldkomponente 15 gleichgerichtet ist, früher in die Sättigung als in der anderen Halbwelle. Dies bewirkt eine Asymmetrie der an der Spule 9 abgreifbaren Induktionsspannung, welche in der Auswerteschaltung wie folgt ausgewertet wird - siehe Fig. 3. Ein Rechteckgenerator 16 erzeugt eine Wechselspannung, deren Kurvenform durch einen Kondensator 17, die Sensorspule 9 und einen Widerstand 18 so verändert wird, daß ein impulsförmiger Strom durch die Spule 9 fließt. Durch eine doppelte Spitzengleichrichterschaltung 19 werden die positiven und negativen Spitzenwerte des Stromes am Widerstand 18 erfaßt und arithmetisch addiert, so daß am Eingang eines Filters 20 bei ungestörter Symmetrie des Sensors 7 die Spannung Null, hingegen bei gestörter Symmetrie eine Spannung größer Null anliegt. Das Filter 20 hat die Aufgabe, die hochfrequente Steuerspannung vom niederfrequenten Drehzahlsignal möglichst steilflankig abzutrennen. Nachfolgend wird das bei gestörter Symmetrie vorliegende Drehzahlsignal noch in einem Schmitt-Trigger 21 zu einem Rechtecksignal aufbereitet, so daß am Ausgang 22 ein der Drehzahl proportionales Signal vorliegt. Ein zusätzlicher Integralregler 23 sorgt durch Erzeugung eines Kompensationsstromes dafür, daß der Mittelwert der Signalspannung am Ausgang des Filters 20 auch dann Null bleibt, wenn durch ein externes Gleichfeld, wie z. B. das Erdmagnetfeld, die Symmetrie des Sensors gestört wird. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes des Integralreglers 23 muß dabei so bemessen werden, daß das langsamste zu erfassende Drehzahlsignal noch nicht ausgeregelt wird.
Die Auswerteschaltung A kann aber auch wie in Fig. 4 gezeigt aufgebaut sein, bei welcher die Spule 9 des Sensors 7 als magnetisch gesteuerte Induktivität in eine Oszillatorschaltung 24 eingebaut ist. Der als invertierender Schmitt-Trigger arbeitende Oszillator ändert hierbei seine Frequenz in Abhängigkeit der Änderung der Induktivität der Spule 9, so daß die Frequenzänderung als Ausgangssignal entweder direkt über den Digitalausgang 25 oder zunächst über einen Frequenz-Spannungswandler 26 und dann über den Analogausgang 27 in einer sich daran anschließenden Auswertenachbeschaltung weiterverarbeitet wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle mit einem mit dieser umlaufenden, an seinem Umfang magnetisch hochwirksame und magnetisch schwach wirksame Bereiche aufweisenden Bewegungsgeber, insbesondere einem als Zahnrad oder als Loch- oder Schlitzblende ausgebildeten ferromagnetischen Bewegungsgeber, bestehend aus einem den Bewegungsgeber abtastenden und mit Abstand von diesem angeordneten, magnetfeldabhängigen Sensor aus einem dünnen, weichmagnetischen, vorzugsweise hohe Permeabilität und niedrige Hysterese- und Wirbelstromverluste aufweisenden Flachbandkern mit einer auf diesem quer zur Längsrichtung gewickelten Spule mit Spulenanschlüssen, einem ebenfalls mit Abstand vom Bewegungsgeber und Sensor angeordneten Permanentmagneten, wobei Sensor und Permanentmagnet bezogen auf den Bewegungsgeber räumlich hintereinander und so angeordnet sind, daß die Feldlinien des Permanentmagneten die Flachseite des Flachbandkernes senkrecht durchsetzen, und aus einer Auswerteschaltung, in welcher die Spule über die Spulenanschlüsse integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) bezogen auf den Bewegungsgeber (1) diesem zugewandt und mit in dessen Umfangsrichtung (6) ausgerichteten Polen (5&min;, 5&min;&min;) vor dem Sensor (7) und mit diesem in einer Ebene liegend angeordnet ist, dessen Flachbandkern (8) wiederum in Längsrichtung lotrecht zur magnetischen Achse (5&min;&min;&min;) des Permanentmagneten (5) und zum Bewegungsgeber (1) ausgerichtet ist, so daß bei idealer symmetrischer Lage des Bewegungsgebers (1) relativ zum Permanentmagnet (5) und Sensor (7) die Feldkomponente (15) in Längsrichtung des Flachkbandkernes (8) gleich Null ist, und daß die Spule (9) des Sensors (7) von der Auswerteschaltung (A) mit einem eingeprägten Wechselstrom hoher Frequenz gespeist und der Flachbandkern (8) in die Sättigung gesteuert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf den Bewegungsgeber (1) einerseits der Permanentmagnet (5) und der Sensor (7) in radialer Richtung (4) hintereinander und andererseits die Pole (5&min;, 5&min;&min;) des Permanentmagneten (5) tangential (6) ausgerichtet angeordnet sind (Fig. 1a).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) und der Sensor (7) in axialer Richtung (12) des Bewegungsgebers (1) und in dessen Umfangsnähe hintereinander angeordnet sind (Fig. 1b).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Permanentmagneten (5) in etwa der Breite bzw. Höhe des magnetisch hochwirksamen Bereiches (2) des Bewegungsgebers (1) und die Dicke des Permanentmagneten (5) in etwa der Dicke des magnetisch hochwirksamen Bereiches (2) des Bewegungsgebers (1) entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) aus einer Samarium-Kobalt- Legierung besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachbandkern (8) des Sensors (7) zur Bildung eines Spulenkörpers zwischen zwei dünne Keramikplättchen eingelegt und vorzugsweise mit diesen verklebt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) des Sensors (7) aus hitzebeständigem isolierten Kupferdraht gewickelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) des Sensors (7) in Dünn- oder Dickfilmtechnik hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Längserstreckung von Permanentmagnet (5) und Sensor (7) und parallel zu den Polflächen (5&min;, 5&min;&min;) und den Flachbandseiten (8&min;) mit Abstand Flußleitbleche (13) aus einer weichmagnetischen Legierung angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5), der Sensor (7) und die Flußleitbleche (13) in einem sich über deren Länge erstreckenden Gehäuse (14) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitbleche (13) Teil des Gehäuses (14) sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) aus einem magnetisch abschirmenden Material hergestellt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) in der Auswerteschaltung (A) in Reihe zwischen eine Kapazität (17) und einen an Masse liegenden Widerstand (18) geschaltet ist und von einer eingeprägten Spannung hoher Frequenz eines Rechteckgenerators (16) gespeist und in die Sättigung gesteuert wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) als magnetisch gesteuerte Induktivität in eine Oszillatorschaltung (24) der Auswerteschaltung (A) eingebaut ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) aus zwei Teilmagneten (5.1, 5.2) besteht, die auf den Flachseiten des Flachbandkernes (8) befestigt sind (Fig. 1c).