DE3844577C2

DE3844577C2 -

Info

Publication number: DE3844577C2
Application number: DE3844577A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kimura; Shotaro Katsuta Jp Naito; Kunio Hitachi Jp Miyashita; Yasuo Katsuta Jp Noto; Noboru Mito Jp Sugiura; Tadashi Hitachi Jp Takahashi; Hirohisa Hitachiota Jp Yamamura; Seizi Katsuta Jp Yamashita; Syooichi Hitachi Jp Kawamata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1990-12-06
Anticipated expiration: 2008-06-23
Also published as: US4874053A; GB8814893D0; DE3844578C2; GB2207763B; GB2207763A; KR890000890A; GB2245712B; DE3844579C2; GB9113393D0; DE3821083C2; GB2245712A; DE3821083A1; DE3844580C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehmomentmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Drehmomentmeßgerät mit einer magnetischen Sensoreinrichtung, die nach dem Induktionsprinzip arbeitet, bestehend aus wenigstens zwei Trommeln, die mit der magnetischen Sensoreinrichtung verbunden sind und die voneinander beabstandet antriebs- und Lastseitig auf Drehwellen befestigt sind, zwischen denen eine deformierbare Welle angeordnet ist, ist durch die US-PS 41 50 566 bekannt geworden. Der Torsionswinkel wird bei dem genannten Meßgerät aus der Phasendifferenz von zwei von der magnetischen Sensoreinrichtung gelieferten sinusförmigen Wellenzügen ermittelt.

Ähnliche Drehmomentmeßgeräte, die ebenfalls im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung mit nach dem Induktionsprinzip arbeitenden magnetischen Sensoreinrichtungen ausgestaatet sind, sind in den FR-PS 21 36 715 und 22 38 923 beschrieben. Bei der erstgenannten wird zur Bestimmung des Drehmoments die Phasenverschiebung von zwei von den magnetischen Sensoren gelieferten sinusförmigen Wellenzügen ermittelt während bei der letztgenannten hierzu zur Ausschaltung von Störeinflüssen mehrere Wellenzüge gleichzeitig ausgewertet werden.

Durch die DE 32 13 589 C2 ist ein Drehmomentmeßfühler bekannt geworden, bei dem wie bei der vorliegenden Erfindung von magnetoresistiven Elementen Gebrauch gemacht wird. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird jedoch das Drehmoment aus dem zeitlichen Abstand des Eintreffens von zwei Meßimpulsen ermittelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein zuverlässiges Drehmomentmeßgerät, das die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, zu schaffen, mit dem auch bei Stillstand der Trommeln das Drehmoment meßbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau des Meßgeräts nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwälzung der magnetisierbaren Oberfläche einer Drehtrommel mit Angabe der Lager der magnetoresistiven Elemente,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3,

Fig. 5 die Anschlüsse der magnetoresistiven Elemente,

Fig. 6 den Signalverlauf von Signalen der magnetischen Sensoreinrichtung,

Fig. 7 Beispiele der Signalverläufe bei der Messung,

Fig. 8 eine Kennlinie des Drehmomentmeßgeräts,

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 Signalverläufe bei der Anordnung nach Fig. 9,

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem die magnetisierbaren Oberflächen auf Scheiben angeordnet sind,

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der ein Mikrocomputer verwendet wird,

Fig. 13 ein Flußdiagramm zum Betrieb des Mikrocomputers,

Fig. 14 ein weiteres Flußdiagramm, zur Drehzahl- und Lageerfassung,

Fig. 15 die Herleitung von sinusförmigen Ausgangssignalen.

In Fig. 1 ist durch das Bezugszeichen 201 eine Drehwelle, durch die Bezugszeichen 202 und 202′ sind Drehtrommeln bezeichnet. Die Drehtrommeln 202 und 202′ haben eine magnetisierbare Oberfläche 203 und 203′, auf denen magnetische Signale aufgezeichnet sind, und die auf der Welle 201 mit einem Abstand L voneinander befestigt sind. Durch das Bezugszeichen 204 ist ein magnetischer Sensor bezeichnet, der aus magnetoresistiven Elementen (nachfolgend "MR-Elemente" genannt) besteht. Dieser Sensor liegt den Drehtrommeln 202 und 202′ mit einem kleinen Abstand gegenüber.

Die Betriebsweise der Drehtrommeln 202 und 202′ und der Magnetsensoren 204 und 204′ wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, die eine Abwälzung der Drehtrommel 202 und des Magnetsensors 204 gemäß Fig. 1 ist. Wie bereits erläutert wurde, hat die magnetisierbare Oberfläche 203 auf der Drehtrommel 202 eine Aufzeichnung eines Magnetsignales, die aus einer Reihe von Nordpolen und Südpolen besteht, welche die Umfangsfläche umgeben. Der Magnetsensor 204 besteht aus MR-Elementen R 1 und R 2 und liegt gegenüber der Trommelfläche mit einem Abstand 1. Fig. 3 ist ein vergrößertes Abwälz-Diagramm der Lagebeziehung zwischen der magnetisierbaren Oberfläche 203 und der Drehtrommel 202 und dem Magnetsensor 204 gemäß Fig. 2. In der Figur sind die MR-Elemente R 1 und R 2 voneinander um lambda/2 beabstandet, wobei lambda die Aufzeichnungswellenlänge (der Abstand zwischen den Nordpolen und Südpolen) ist. Fig. 4 zeigt den Betriebssignalverlauf. In Fig. 4 bewegt sich eine magnetisierbare Oberfläche 203 auf der Drehtrommel 202, wie dies durch den Pfeil gezeigt ist, wenn sich die Drehtrommel 202 dreht. Die MR-Elemente R 1 und R 2 haben verminderte Widerstandswerte bei Anlegen eines Signals, das eine Flußvariation vom Nordpol zum Südpol eines magnetischen Signales ist, wie dies allgemein bekannt ist. Wenn sich die magnetisierbare Oberfläche 203 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung bewegt, ändern sich die Widerstandswerte der MR-Elemente R 1 und R 2 entsprechend der Aufzeichnungswellenlänge lambda, wodurch Signale mit einem Phasenversatz von lambda/2 entstehen. Die MR-Elemente R 1 und R 2 sind angeschlossen, um drei Anschlüsse gemäß Fig. 5 zu bilden, wobei eine Spannung V zwischen den beiden Enden angelegt wird und wobei an dem Ausgangsanschluß E _{A 1} ein Signalverlauf gemäß Fig. 6A erzeugt wird. Das Ausgangssignal E _{A 1} entspricht dem magnetischen Signal auf der magnetisierbaren Oberfläche 203. In ähnlicher Weise wird das Signal E _{A 2} gemäß Fig. 6B durch die Drehtrommel 202′ und dem magnetischen Sensor 204′ gemäß Fig. 1 erzeugt.

Bei dem Drehmomenterfassungsgerät gemäß Fig. 1 wird die Welle 201 um einen Winkel R proportional zur angelegten Last verdreht, wenn ein Motor auf die Antriebsseite der Welle 201 angekoppelt wird und eine Last an der Lastseite angeschlossen ist. Der Torsionswinkel wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

R = (32/π × G) × (L/D⁴) × T (7)

wobei R ein Torsionswinkel (rad) ist, G der Scherfaktor (kg/cm²), L eine Entfernung zwischen den Trommeln (cm) und D der Durchmesser der Welle (cm) ist. Der Scherfaktor G hängt von dem Wellenmaterial ab. Wenn daher der Trommelabstand L und der Wellendurchmesser D eingestellt sind, ist das Verhältnis des Drehmomentes T gegenüber dem Drehwinkel R festgelegt, so daß es möglich ist, das Drehmoment durch Erfassen des Torsionswinkel R der Welle 201 zu messen.

Ein Beispiel der Messung des Torsionswinkels R der Welle 201 ist in den Fig. 7A und 7B gezeigt. In Fig. 7A wird der Torsionswinkel der Welle 201 durch Erfassen der Phasendifferenz R₂-R₁ zwischen dem Ausgangssignal E _{A 1}, das von der Dehtrommel 202 und dem Magnetsensor 204 erzeugt wird, und dem Ausgangssignal E _{A 2}, das von der Drehtrommel 202′ und dem Magnetsensor 204′ erzeugt wird, an deren Nulldurchgangspunkten gemessen. Fig. 7A betrifft den Fall eines kleinen Lastdrehmomentes, bei dem die Welle 201 einen kleinen Torsionswinkel hat und daher die Phasendifferenz R₁ der Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} an den Nullpunkten dieser Signale gleichfalls klein ist. Im Gegensatz hierzu betrifft Fig. 7B den Fall eines großen Lastdrehmomentes, bei dem die Welle 201 eine erhöhte Torsion aufweist und daher die Phasendifferenz R₂ bei den Nulldurchgangspunkten ebenfalls erhöht ist. Daraus folgt, daß die Größe des Drehmomentes durch Messen der Phasendifferenz R₁ oder R₂ erfaßt werden kann.

Fig. 8 zeigt beispielsweise Charakteristika des erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsgerätes, bei dem der Phasenwinkel R gegenüber dem Drehmoment T aufgetragen ist.

Die MR-Elemente R ändern ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Größe des Magnetflusses, wie dies oben erläutert wurde, wobei die MR-Elemente auch dann mit einem konstanten Magnetfluß von den Nordpolen oder Südpolen der Magnetglieder 203 und 203′ auf den Drehtrommeln 202 und 202′ beaufschlagt werden, wenn die Welle 201 stationär ist, wodurch das Drehmoment der Welle 201 auch in deren unbewegtem Zustand gemessen werden kann. Die Fig. 9 und 10 zeigen ein Beispiel einer Drehmomenterfassung bei stillstehender Welle.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Drehmomenterfassungsgerät in einen Motor 206 eingebaut ist. Die Drehtrommeln 202 und 202′ sind auf der Welle 201 des Motors 206 mit einem willkürlich gewählten Abstand zwischen diesen Teilen befestigt. Die magnetischen Sensoren 204 und 204′ liegen gegenüber den Drehtrommeln 202 und 202′ mit einem kleinen Abstand zwischen diesen Teilen. Die Welle 201 ist an einem ihrer Enden, das näher zu den Drehtrommeln 202 und 202′ liegt, mit einer Last, wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine, beaufschlagt. Im Hinblick auf die fortgeschrittene Technik im Bereich der Umsetzer werden eine ansteigende Anzahl von Werkzeugmaschinen durch Wechselstrommotoren anstelle von Gleichstrommotoren angetrieben. Es ist für die Steuerung der Maschinengenauigkeit und der Maschinendrehzahl nötig, eine Rückkopplung des axialen Lastmomentes des antreibenden Motores zu haben. Das axiale Lastmoment eines Gleichstrommotores kann in einfacher Weise von dem Motorstrom abgeleitet werden, der proportional zum Drehmoment ist, während ein Wechselstrommotor keine derartige proportionale Beziehung zwischen dem Strom und dem Drehmoment aufweist und daher das Drehmoment nur schwierig aufgrund des Stromes erfaßt werden kann. Diese Situation verlangt nach einem Drehmomentmeßgerät, wie es die vorliegende Erfindung geschaffen hat.

Das Drehmomenterfassungsgerät gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 darin, daß die magnetischen Sensoren 204 und 204 derart konstruiert sind, daß sie zweiphasige Ausgangssignale liefern, was den Zweck hat, daß die Sensorausgangssignale für die Lageerfassung und Drehzahlerfassung neben der Drehmomenterfassung verwendet werden können. Der MR-Sensor R wird durch eine Dampfabscheidung von Permalloy oder einem ähnlichen Material auf einem Glassubstrat hergestellt. Die zweiphasigen Sensorausgangssignale werden durch eine einfache Modifikation des MR-Elementemusters erzielt, das auf das Glassubstrat aufgebracht ist, ohne daß die Anzahl der Magnetsensoren 204 und 204′ erhöht werden müßte und ohne daß Änderungen in der Dimension des Sensors durchgeführt werden müßten, so daß die gesamte Systemstruktur einfachgehalten werden kann.

In Fig. 9 liefern die magnetischen Sensoren 202 und 202′ zweiphasige Ausgangssignale E _{A 1} und E _{B 1}, sowie E _{A 2} und E _{B 2}, welche eine 90°-Phasendifferenz aufweisen. Diese Ausgangssignale werden durch Komparatoren 251, 252, 253, 251′, 252′ und 253′ derart behandelt, daß sie in Rechteckwellen A 1, B 1, A 2 und B 2 umgewandelt werden. Die zweiphasigen Rechteckwellensignale A 1 und B 1 werden zum Aufteilen des Ausgangssignales E _{A 1} des magnetischen Sensors 204 in vier Betriebsbereiche gemäß Fig. 10B verwendet. Zum Beispiel gilt A 1=hoch und B 1=niedrig im Bereich zwischen 0 und 90° von E _{A 1}; A 1=hoch und B 1=hoch in dem Bereich zwischen 90 und 180°, A 1=niedrig und B 1=hoch in dem Bereich zwischen 180 und 270° und A 1=niedrig und B 1=niedrig in dem Bereich von 270 bis 360°. Weitere Rechtecksignale A 2 und B 2 werden zum Aufteilen des Ausgangssignales E _{A 2} des Magnetsensors 204′ in vier Betriebsbereiche verwendet. Gleichzeitig werden die Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} der Magnetsensoren 204 und 204′ mit einem Dreiecksträgersignal P _M verglichen, wie dies in Fig. 10(A), (B) gezeigt ist, wobei die Ausgangssignale A _{M 1} und A _{M 2} erzeugt werden. Es sei angenommen, daß die Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} der Magnetsensoren 204 und 204′ sinusförmig sind, wie dies durch (a) in Fig. 10(A) gezeigt ist. In diesem Fall kann der Winkel R als analoger Wert der Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} berechnet werden. Der analoge Wert von E _{A 1} und von E _{A 2} hat die gleiche Spannung an einem Punkt in einem Zyklus.

Bereichsunterscheidungs-Schaltungen 208 und 208′ unterscheiden die Bereiche 0-90°, 90-180°, 180-270° und 270-360°. Lagedetektoren 209 und 209′ erzeugen eine Lageinformation 212 und 212′ und eine Drehzahlinformation 213 und 213′. Die Lage und die Drehzahl der Last 207 kann mit höherer Genauigkeit unter Verwenden der Drehtrommel 202′ und des Magnetsensors 204′ erfaßt werden, wenn jene näher an der Last liegen. Falls es gewünscht ist, eine sanftere Motorsteuerung zu erzielen, wird vorzugsweise die Lageinformation und die Drehzahlinformation aufgrund der Drehtrommel 202 und des Magnetsensors 204 in einem geringeren Abstand zum Antriebsmotor ermittelt. Die erfaßte Information auf der Lastseite oder Antriebsseite kann wahlweise in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Last durch Schalter 210 und 210′ verwendet werden.

Bei stillstehenden Drehtrommeln 202 und 202′ am Punkt (a) in Fig. 10(A) erzeugt der Komparator einen Puls A _{M 1} mit einer Breite t _{m 1} zu dem Zeitpunkt, wenn das Trägersignal P _M den Punkt (a) des Ausgangssignals E _{A 1} des Magnetsensors 204 erreicht. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein Drehmoment an die Welle 201 des Motors 206 in Fig. angelegt wird, hat das Ausgangssignal E _{A 2}, das durch die Drehtrommel 202 und durch den Magnetsensor 204′ geliefert wird, eine Signalform, die durch die gestrichelten Linien in Fig. 10(A) gezeigt ist. In diesem Fall wird ein Puls A _{M 2} mit einer zeitlichen Breite t _{m 2} erzeugt. Die Pulse A _{M 1} und A _{M 2} sind proportional zu den Analogwerten der Sensorausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2}. Ihre zeitlichen Breiten t _{m 1} und t _{m 2} werden einer Drehmomentmeßschaltung 211 zugeführt, die daraufhin die Winkeldifferenz zwischen den Trommeln 202 und 202′ berechnet, wodurch die Drehmomentmessung ermöglicht wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ auf der Außenseite der Welle 201 des Motors 206 befestigt. Die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ können an der Innenseite des Motors 206 befestigt sein.

Obwohl die Drehtrommeln 202 und 202′ trommelförmig sind, sind andere Strukturen einschließlich der Scheibenform mit magnetisierbaren Oberflächen 203 und 203′ (auf einer Seite oder beiden Seiten) der Scheiben gemäß Fig. 11 möglich. In dem Fall, daß die magnetisierbaren Oberflächen 203 und 203′ auf beiden Seiten der Scheiben angeordnet sind, wird eine erhöhte Anzahl von Magnetsensoren benötigt.

Dieses Ausführungsbeispiel, das eine Information über die Lageerfassung und Drehzahlerfassung sowie die Drehmomenterfassung liefern soll, erhöht die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Motorsteuerung. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 11 erläutert wurde, hat das Drehmomenterfassungsgerät Drehtrommel mit Magnettrommeln, auf denen Magnetsignale aufgezeichnet sind, und Magnetsensoren, auf denen MR-Elemente liegen, die das Drehmoment auch dann messen können, wenn ein Stillstand vorliegt. Das Ausgangssignal des Magnetsensors ist konstant unabhängig von der Drehzahl, so daß die Verarbeitungsschaltung vereinfacht werden kann. Die Verwendung des Magnetismus ist vorteilhaft bezüglich der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Staub und Verschmutzungen, so daß ein zuverlässiges Drehmomenterfassungsgerät realisiert werden kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 11 abgeleitet. Ein Mikrocomputer wird für die Berechnung verwendet. Die Fig. 12 und 13 zeigen die Drehmomentberechnung unter Verwenden eines Mikrocomputers aufgrund der Winkeldifferenz der beiden Drehtrommeln, die durch die sinusförmigen Ausgangssignale der Magnetsensoren erzeugt werden. Die zweiphasigen E _A1 und E _B1 des Magnetsensors 204 und die zweiphasigen Ausgangssignale E _{A 2} und E _{B 2} des Magnetsensors 204′ in dem System gemäß Fig. 9 werden der Schaltung gemäß Fig. 12 zugeführt. Die Signale werden durch Verstärker AM 1-AM 4 verstärkt, die jeweiligen Ausgangssignale A₁ sin R, B₁ cos R, A₂ sin R und B₂ sin R erzeugen. Diese Signale werden durch einzelne Analog-Digital(A/D)-Wandler AD 1-AD 4 einem Mikrocomputer MC zugeführt. Der Mikrocomputer MC führt eine arithmetische Verarbeitung gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 13 durch und erzeugt ein Ausgangssignal am Anschluß 214, das das Drehmoment darstellt.

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 13 zeigt anfänglich das Lesen der digitalen Daten A 1, B 1, A 2 und B 2 aufgrund der Ausgangssignale der Magnetsensoren 204 und 204′, die durch Verstärkung und A/D-Wandlung verarbeitet sind. Der nächste Schritt führt folgende Berechnung für die Werte A 1 und B 1 zur Ermittlung des Winkels R₁ der Drehtrommel 202 durch:

R₁ = tan^-1 (A 1/B 1) (8) Zu diesem Zeitpunkt werden die Polaritäten der Signale A 1 und B 1 überprüft, um den Betriebszustand zu unterscheiden, so daß der Wert von R₁ ermittelt wird.

Auf ähnliche Weise wird im nächsten Schritt der Winkel R₂ der Drehtrommel 202′ aufgrund der Eingangssignale A 2 und B 2 folgendermaßen berechnet: R₂ = tan^-1 (A 2/B 2) (9) Der nächste Schritt berechnet die Winkeldifferenz der Drehtrommel 202 und 202′, d. h. die Torsion R₀ auf der Grundlage der Winkel R₁ und R₂. Der nächste Schritt berechnet das Drehmoment durch folgende Gleichung, die eine Variante der Gleichung (7) ist.

T = (π × G × D⁴/32 × L) × R₀ (10)

Der letzte Schritt liefert den Wert des Drehmomentes T, woraufhin das Programm zum ersten Programmschritt zurückkehrt.

Der Winkel R₁, der durch die Gleichung (8) berechnet wird, kann gleichfalls allein aufgrund der Signale A 1 und B 2 unter Verwendung folgender Gleichung (11) berechnet werden. R₁ = sin^-1 A 1 = cos ^-1 B 1 (11) Allerdings ist die Teilung von A 1 durch B 1 in der Gleichung (8) aus Gründen der höheren Genauigkeit von Vorteil, da Veränderungen der Ausgänge A 1 und B 1, die gleichzeitig aufgrund einer Veränderung des Abstandes zwischen den Drehtrommeln 202 oder 202′ und den Magnetsensoren 204 oder 204′ auftreten, einander aufheben. Fig. 13 ist ein Flußdiagramm zum Berechnen der Drehlage und der Drehzahl. Das Programm liest anfänglich die sinusförmigen, digitalen Eingangswerte A 1 und B 1, liest die Zeit t für den Geschwindigkeitsmeß-Zeitgeber, und nach einem temporären Halten dieser Werte startet es den Zeitgeber. Als nächstes berechnet das Programm einen kleinen Winkel R₁ innerhalb eines Zyklus unter Verwenden der Gleichung (8) auf die gleiche Art wie bei der Drehmomenterfassung. Als nächstes liest das Programm den vorherigen kleinen Winkel R _n-1 aus dem Speicher und berechnet die Differenz des neuen Winkels R₁ zum Bestimmen der Winkeldifferenz R _n-1-R₁. Durch Teilen des Ergebnisses durch die Zeitdifferenz t zwischen dem vorherigen und dem gegenwärtigen Ereignis wird die Geschwindigkeit v berechnet und erscheint an der Ausgangsklemme 213. Bei der Lageberechnung wird die Differenz zwischen dem momentanen kleinen Winkel R₁ und dem vorhergehenden kleinen Winkel R _n-1 mit dem kumulativen Winkel bis zum vorhergehenden Ereignis O _Σ _-1 addiert, wodurch sich der momentane Winkel R _Σ ergibt, der an dem Ausgangsanschluß 212 erzeugt wird. Als nächstes wird der gegenwärtige kleine Winkel R₁ an dem Speicherort für R _n-1 gespeichert und der gegenwärtige Winkel R _Σ an dem Speicherort des vorhergehenden Winkel R _Σ _-1 abgespeichert, woraufhin das Programm zum Beginn zurückkehrt. Bei diesem Beispiel liegen der kleine Winkel R₁ und der vorhergehende Winkel R _n-1 innerhalb eines Zyklus. Im Falle einer Variation über einen Zyklus wird die Winkelkumulation für die Berechnung verwendet.

Dies ist der Fall, wenn die Magnetsensoren 204 und 204′ sinusförmige Ausgangssignale erzeugen. Eine Technik zum Erzeugen sinusförmiger Ausgangssignale wird unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert. Der Magnetsensor 204 hat magnetische Widerstandseffektelemente (MR-Elemente) R _{a 1} und R _{a 2}, R _{b 1} und R _{b 2}, die mit dem Abstand einer halben Aufzeichnungswellenlänge lambda/2 angeordnet sind, wobei ein Abstand von lambda/6 zwischen den Elementen R _{a 1} und R _{b 1} und zwischen den Elementen R _{a 2} und R _{b 2} eingehalten ist. Die MR-Elemente sind in der in der Figur gezeigten Art verbunden. Die MR-Elemente R _{a 1} und R _{a 2} erzeugen ein Ausgangssignal e _a, das durch die durchgezogene Linie e _a dargestellt ist, wenn sich die Drehtrommel 202 dreht. Das Signal wird aufgrund der Sättigung der Widerstandsvariation des MR-Elementes gegenüber dem Magnetfeld verzerrt. Die verzerrte Signalform hat eine Hauptkomponente der dritten Harmonischen, wobei die ursprüngliche Signalform in eine fundamentale Welle e _{a 1} und eine dritte Harmonische e _{a 3} aufgeteilt werden kann, wie dies durch die gestrichelte Linie in der Figur gezeigt ist. Auf ähnliche Weise erzeugen die MR-Elemente R _{b 1} und R _{b 2} ein Ausgangssignal e _b, das in ein Basis-Signal e _{b 1} und eine dritte Harmonische e _{b 3} aufgeteilt ist. Als Brückenausgangssignal E _{A 1}, d. h. e _a+e _b, haben die dritten Harmonischen e _{a 3} und e _{b 3} entgegengesetzte Phasen und heben einander auf, so daß die Grundwelle übrigbleibt.

Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ außerhalb der Welle 201 des Motors 206 befestigt sind, können die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ innerhalb des Motors 206 eingebaut werden.

Bei der Struktur dieses Ausführungsbeispieles ist das Drehmomenterfassungsgerät durch Drehtrommeln mit magnetisierbaren Oberflächen konstruiert, auf denen Magnetsignale aufgezeichnet sind, wobei ein Magnetsensor, der aus einem Feld von MR-Elementen zum Erzeugen sinusförmiger Ausgangssignale besteht, vorgesehen ist, und wobei das Drehmoment sehr genau selbst bei einem Anhalten erfaßt werden kann. Der magnetische Sensor hat eine konstante Ausgangsamplitude und unabhängig von der Drehzahl, so daß die Signalverarbeitungsschaltung einfach gehalten werden kann. Die Verwendung des Magnetismus führt in vorteilhafter Weise zu einer Unabhängigkeit von Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Staub und Schmutz, so daß ein äußerst zuverlässiges Drehmomentmeßgerät realisiert ist.

Claims

1. Drehmomentmeßgerät mit einer magnetischen Sensoreinrichtung (202-204, 202′-204′, R), bestehend aus mehreren Trommeln (202, 202′), die voneinander beabstandet antriebs- bzw. lastseitig auf einer Drehwelle (201) befestigt sind und die eine magnetisierbare Oberfläche (203, 203′) aufweisen, und denen gegenüber magnetoresistive Elemente (R, 204, 204′) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Sensoreinrichtung (202-204, 202′-204′), R 1, R 2) zwei Sätze (A, B) von Signalen (E _{A 1}, E _{A 2}; E _{B 1}, E _{B 2}) abgibt, deren Signalgrößen annähernd einer Sinusfunktion des Drehwinkels der Trommeln (202, 202′) entsprechen,
daß die zwei Sätze (A, B) der Signale (E _{A 1}, E _{A 2}; E _{B 1}, E _{B 2}) um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, und
daß der Torsionswinkel (R), um den die Trommeln (202, 202′) gegeneinander verdreht sind, aus der Phasenverschiebung zwischen den Signalen (E _{A 1}, E _{A 2}; E _{B 1}, E _{B 2}) des jeweiligen Satzes (A, B) ermittelt ist.

2. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der magnetischen Sensoreinrichtung (202-204, 202′-204′, R 1, R 2) gelieferten Signale jeweils einzeln einem zugeordneten Komparator (251, 252, 251′, 252′) zugeleitet sind zur Bildung von Rechteckwellen (A 1, B 1, A 2, B 2), mit deren Hilfe der Betriebsbereich (MODE 1-4) jeweils eines der Signale (E _{A 1}, E _{A 2} bzw. E _{B 1}, E _{B 2}) bestimmt ist.

3. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Winkeldifferenz zwischen den Drehtrommeln (202, 202′) beim Anlegen des größten Drehmoments innerhalb einer Periode der Signale (E _{A 1}, E _{A 2}, E _{B 1}, E _{B 2}) liegt.

4. Drehmomentmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Signale (E _{A 1}, E _{A 2}, E _{B 1}, E _{B 2}) die Lage und/oder die Geschwindigkeit der Drehwelle (201) zusätzlich zur Erfassung des Torsionswinkels (R) bestimmt sind.