DE10036281A1 - Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels an einer Drehachse - Google Patents
Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels an einer DrehachseInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels an einer Drehachse vorgeschlagen, bei der ein erstes Geberrad (1a) und ein zweites Geberrad (1b) mit einem vorgegebenen Abstand axial auf einer Drehachse (3) fest angeordnet sind. Jedes Geberrad (1a, 1b) weist zwei Spuren (6a, 6b) auf, die Gebersegmente (2) enthalten. Die Gebersegmente (2) sind vorzugsweise als magnetische Pole ausgebildet. Die beiden Spuren (6a, 6b) unterscheiden sich in ihrer Polpaarzahl, wobei die verwendeten Polpaarzahlen einen größten gemeinsamen Teiler von 1 haben und sich vorzugsweise um 1 unterscheiden. Als erfindungswesentlich wird angesehen, dass die beiden Spuren (6a, 6b) axial angeordnet sind. Diesen Spuren (6a, 6b) sind entsprechende Sensorelemente (5) zugeordnet, die auf einer Leiterplatte (4) befestigt sind. Eine Auswerteeinheit (7) befindet sich ebenfalls auf der Leiterplatte (4) und wertet die Signale der Sensorelemente (5) aus.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung
eines Drehwinkels und/oder einer Winkelgeschwindigkeit einer
Drehachse relativ zu wenigstens einem feststehenden
Sensorelement nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Vorrichtungen zur Winkelmessung einer Drehachse, die
insbesondere mit induktiven Sensoren ausgebildet sind, sind
vielfältig bekannt. So wird beispielsweise in der
DE 198 18 799 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Messen von Drehwinkeln einer Drehachse vorgeschlagen, bei
dem die Vorrichtung mindestens zwei auf der Drehachse
koaxial angeordnete Ringe aufweist, die magnetisch codiert
sind und einen magnetischen Maßstab bilden. Eine zugeordnete
Sensoreinheit erfasst die Magnetpole auf dem halben Umfang
eines Ringes, wobei die Anzahl der Magnetpole auf dem halben
Umfang eines Ringes teilerfremd zu der Anzahl der Magnetpole
auf dem halben Umfang des anderen Ringes ist. Mittels eines
jedem Ring zugeordneten Hallsensors werden die Magnetpole
erfasst und von einer Elektronikeinheit durch Messung des
Phasenversatzes zwischen den Ausgangssignalen zweier
magnetoresistiver Sensoren ausgewertet. Auch ist die
Auflösung und Genauigkeit der Winkelmessung eingeschränkt,
da nur die Phasendifferenz zwischen den beiden Magnetringen
gemessen werden kann.
Weiterhin ist aus der US 5,019,776 eine Vorrichtung zur
magnetischen Positionserkennungbekannt, bei der zwei
Magnetspuren am Umfang eines einzigen Geberrades angebracht
sind. Beiden Magnetspuren sind entsprechende Sensorelemente
zugeordnet. Alternativ wird vorgeschlagen, zwei einzelne
Geberräder zu verwenden, wobei in diesem Fall jedes Geberrad
nur eine Spur trägt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines
Drehwinkels und/oder einer Winkelgeschwindigkeit einer
Drehachse mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die
beiden Geberräder mit den doppelspurigen Gebersegmenten ein
spezielles Nonius-Verfahren angewendet werden kann, das eine
noch höhere Auflösung des Drehwinkels ermöglicht. Dadurch
sind vorteilhaft auch solche Anwendungen möglich, die eine
sehr hohe und zuverlässige Drehwinkelbestimmung erfordern.
Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die
Bauhöhe der Vorrichtung relativ klein und kompakt
ausgebildet werden kann, so dass nur ein relativ geringer
Einbauplatz benötigt wird. Auch ist die Vorrichtung
kostengünstig herstellbar.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung
möglich. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass die
beiden Spuren eines Geberrades unterschiedliche Anzahlen von
Gebersegmenten aufweisen. Dadurch kann bereits mit einem
Geberrad durch Auswertung des Phasenwinkels der absolute
Drehwinkel bestimmt werden. Durch die Unterscheidung mit
einem Polpaar ergibt sich die Möglichkeit, einen 360°-
Absolutwinkel zu messen, wenn ein entsprechender
Messwertaufnehmer verwendet wird.
Um die Bauhöhe möglichst niedrig zu halten, werden
vorteilhaft die Gebersegmente für die beiden Spuren auf
gegenüberliegende Stirnflächen des Geberrades angeordnet.
Dadurch ergibt sich eine maximale Entkopplung der
magnetischen Felder und somit eine geringere
Störempfindlichkeit.
Als günstig wird auch angesehen, dass im Bereich der
Geberräder eine Leiterplatte angeordnet ist, auf der die
Sensorelemente angeordnet sind. Insbesondere, wenn die
Leiterplatte parallel zur Drehachse angeordnet ist, ergibt
sich eine kleine und kompakte Baueinheit. Die kompakte
Bauweise kann dadurch noch verbessert werden, dass in der
Leiterplatte Aussparungen ausgebildet sind, durch die die
Geberräder mit ihren Gebersegmenten teilweise geführt sind,
so dass die Anordnung der zugeordneten Sensorelemente
besonders einfach ist.
Ein weiterer Vorteil stellt sich ein, wenn auf der
Leiterplatte auch die Auswerteelektronik für die gemessenen
Sensorsignale aufgebracht ist.
Durch die zwei Geberräder mit den doppelspurigen
Gebersegmenten ergibt sich bei entsprechender Ausbildung der
Drehachse auch die Möglichkeit, ein Drehmoment zu bestimmen.
Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Drehachse als
Lenkwelle für ein Lenkgetriebe in einem Kraftfahrzeug
ausgebildet ist, das die Lenkkraft für den Fahrer des
Kraftfahrzeugs reduziert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Die Figur zeigt den schematischen Aufbau eines
Winkelsensors.
Die Figur zeigt eine Drehachse 3, auf der in einem axialen
Abstand ein erstes Geberrad 1a und ein zweites Geberrad 1b
fest angebracht sind. Die Drehachse 3 ist vorzugsweise mit
einem Torsionselement ausgebildet, wobei beide Geberräder
1a, 1b an den beiden Enden des Torsionselementes oder
entsprechenden Verlängetungshülsen fest angebracht sind.
Dadurch ergibt sich die vorteilhafte Lösung, dass neben dem
Drehwinkel als Absolutwert auch ein Differenzwinkel zwischen
den beiden Geberrädern 1a, 1b gemessen werden kann, mittels
dem das auf der Drehachse 3 wirkende Drehmoment erfasst
werden kann. Der axiale Abstand der beiden Geberräder 1a, 1b
wird vorzugsweise so ausgebildet, dass sich eine kleine
Bauhöhe für die gesamte Anordnung ergibt. Die beiden
Geberräder 1a, 1b sind ringförmig ausgebildet und tragen
jeweils eine erste Spur 6a und eine zweite Spur 6b. Jede
Spur ist mit Gebersegmenten 2 ausgebildet, die vorzugsweise
mit magnetischen Polpaaren nebeneinander ausgebildet sind.
In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Gebersegmente 2 auf der Ober- und Unterseite eines
Geberrades 1a, 1b (Stirnseiten) angeordnet sind und
entsprechende Spuren bilden. Zwischen den beiden Spuren ist
der Ring des Geberrades 1a, 1b nicht magnetisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die beiden Geberräder 1a, 1b gleichartig ausgebildet sind,
wobei beispielsweise die erste Spur 6a sich in der Anzahl
der Gebersegmente 2 von der der zweiten Spur 6b
unterscheidet. Es ist vorgesehen, dass auf den Umfang
verteilt beispielsweise die erste Spur 6a n-Gebersegmente 2
und die, zweite Spur 6b n + 1-Gebersegmente 2 aufweist.
Grundsätzlich sollen die Polpaarzahlen der beiden Spuren 6a,
6b so gewählt werden, dass sie einen größten gemeinsamen
Teiler von 1 haben. Lösungsverfahren für dieses
Noniusverfahren sind per se bekannt und müssen nicht näher
erläutert werden. Durch die Anordnung der beiden Spuren 6a,
6b auf gegenüberliegenden Stirnflächen des Geberrades 1a, 1b
ergibt sich vorteilhaft ein größtmöglicher maximaler Abstand
voneinander, so dass keine gegenseitige Beeinflussung der
Gebersegmente 2 auftreten kann. Bei dieser Anordnung liegt
der Magnetfeldvektor immer in der Ebene, die vom axialen und
tangentialen Einheitsvektor aufgespannt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die
Spuren auch radial-tangential auszurichten und beide Spuren
auf einer entsprechend breiten Mantelfläche des Ringes eines
Geberrades 1a, 1b aufzubringen. In einer weiteren
alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, auf der oberen
oder unteren Stirnseite des Geberrades 1a, 1b die beiden
Spuren 6a, 6b nebeneinander anzuordnen.
Den beiden Geberrädern 1a, 1b bzw. deren Gebersegmenten 2
sind feststehende Sensorelemente 5 zugeordnet, die mit einem
entsprechenden Abstand zu den Gebersegmenten 2 angeordnet
sind und kontaktlos die bei der Drehung der Drehachse 3
relativ vorbeilaufenden Gebersegmente 2 erfassen. Um alle
vier Spuren zu erfassen, sind vorzugsweise vier
entsprechende Sensorelemente 5 vorzusehen. Die
Sensorelemente 5 sind vorzugsweise auf einer Leiterplatte 4
angeordnet, die parallel zur Drehachse 3 als feststehende
Einheit befestigt ist. Um eine möglichst kleine Bauform zu
erreichen, sind Aussparungen 8 in der Leiterplatte 4
vorgesehen, durch die die Geberräder 1a, 1b wenigstens
teilweise eintauchen, so dass eine problemlose Anordnung der
Sensorelemente 5 möglich ist. Auf der Leiterplatte 4 sind
vorzugsweise weitere Einheiten angeordnet. Beispielsweise
ist eine Auswerteelektronik 7 für die Signale der
Sensorelemente 5 angeordnet, wobei die Sensorelemente 5 über
gedruckte Leitungen (in der Figur nicht dargestellt) mit der
Auswerteeinheit verbunden sind.
Durch die von den Sensorelementen 5 gemessenen Signale ist
nicht nur der Absolutwinkel der Drehachse 3 bestimmbar,
sondern auch die Drehgeschwindigkeit, ein Relativwinkel
und/oder ein Drehmoment, wenn die Drehachse 3 mit einem
entsprechenden Torsionselement ausgerüstet wurde. Da die
beiden zugeordneten Spuren 6a, 6b unterschiedliche
Polpaarzahlen aufweisen, wird bei jeder Bewegung der
Drehachse 3 ein unterschiedlicher Phasenwinkel ermittelt.
Diese Signale können beispielsweise auch zur Bestimmung der
Drehrichtung verwendet werden.
Die Auswerteelektronik 7 ist per se bekannt. Um eine
möglichst hohe Winkelauflösung zu erreichen, wird zur
Auswertung ein Nonius-Verfahren angewendet. Ein spezielles
Nonius-Verfahren ist beispielsweise vom Anmelder in der DE-
195 06 938 A1 des Anmelders veröffentlicht und kann hier zu
Grunde gelegt werden.
Ergänzend wird noch erwähnt, dass die Sensorelemente 5
parallel zur Drehachse 3 axial angeordnet sind. Dadurch wird
eine größere Stabilität der Sensorelemente 5 bezüglich
dynamischer Relativverschiebungen der Sensorelemente
erreicht, die durch Temperatur, Alterung, Vibrationen und
Querkräften entstehen können. Bei einer alternativen Lösung
mit radialer Abtastung müssen die Sensorelemente 5 jedoch
stehend auf der Leiterplatte 4 befestigt werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Messung eines Drehwinkels und/oder einer
Winkelgeschwindigkeit einer Drehachse (3) relativ zu
wenigstens einem feststehenden Sensorelement (5) mit zwei
auf der Drehachse (3) axial angeordneten Geberrädern (1a,
1b), die als magnetoresistive Multipolräder ausgebildet
sind, wobei die beiden Geberräder (1a, 1b)
unterschiedliche Zahlen von Gebersegmenten (2) aufweisen,
die von den zugeordneten Sensorelementen (5) erfassbar
sind und wobei eine Auswerteeinheit (7) aus den erfassten
Sensorsignalen nach dem Nonius-Prinzip den Drehwinkel
bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebersegmente
(2) eines Geberrades (1a, 1b) als doppelspuriger Ring
ausgebildet sind, wobei die beiden Spuren (6a, 6b) eines
Ringes (1a, 1b) zueinander in axialer Richtung zur
Drehachse (3) angeordnet sind, und dass jeder Spur (6a,
6b) ein Sensorelement (5) derart zugeordnet ist, dass das
Sensorelement (5) die Richtung oder eine Komponente des
Magnetfeldes des Geberrades (1a, 1b), die von der
Magnetspur erzeugt wird, mißt und entsprechende
elektrische Signale abgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Spuren (6a, 6b) eines Geberrades (1a, 1b)
unterschiedliche Anzahlen von Gebersegmenten (2)
aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Anzahl der Gebersegmente (2) um ein Polpaar
unterscheidet.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (6a, 6b) der
Gebersegmente (2) auf gegenüberliegenden Stirnflächen des
Geberrades (1a, 1b) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der
Gebersignale nach einem klassischen oder speziellen
Nonius-Prinzip erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der beiden
Geberräder (1a, 1b) eine Leiterplatte (4) angeordnet ist
und dass auf der Leiterplatte (4) die den Gebersegmenten
(2) zugeordneten Sensorelemente (5) angebracht sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterplatte (4) parallel zur Drehachse (3)
angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) für jedes
Geberrad (1a, 1b) eine Aussparung (8) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (4) die
Auswerteeinheit (7) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (3) mit den
zwei Geberrädern (1a, 1b) zur Drehmomenterfassung
ausgebildet ist und dass die Auswerteeinheit (7) aus den
Signalen der Sensorelemente (5) ein Drehmoment bestimmt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur
Verwendung in einem Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000136281 DE10036281A1 (de) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels an einer Drehachse |
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DE2000136281 DE10036281A1 (de) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | Vorrichtung zur Messung eines Drehwinkels an einer Drehachse |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10036281A1 true DE10036281A1 (de) | 2002-02-07 |
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