DE10064835C2

DE10064835C2 - Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip

Info

Publication number: DE10064835C2
Application number: DE10064835A
Authority: DE
Inventors: Franz Bauer; Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: US6848308B2; US20020078748A1; DE10064835A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferraris prinzip mit einem induktiven Messkopf, der mit einer bewegli chen Ferrarisscheibe im wesentlichen über ein Hauptmagnetfeld zusammenwirkt und eine beschleunigungsabhängige Größe lie fert.

Zur Erfassung von Geschwindigkeitsänderungen von Antriebswel len werden nach dem Stand der Technik unter anderem auch Be schleunigungssensoren eingesetzt, die gemäß dem Ferrarisprin zip bzw. Drehfeldprinzip arbeiten. Ein solcher Sensor beruht auf dem Induktionsprinzip und wird zur Klasse der Induktions messwerke gezählt.

Beim Ferrarisprinzip wird als Leiter eine Scheibe benutzt, z. B. aus Aluminium, die drehbar gelagert ist und sich in ei nem magnetischen Feld bewegt, wobei das magnetische Feld, auch als Hauptfeld bezeichnet, entweder durch einen Perma nentmagneten oder mit einer Erregerspule erzeugt werden kann. Auf den Aufbau eines solchen die Ferrarisscheibe umgebenden Messkopfes wird an späterer Stelle noch genauer eingegangen. Durch eine Bewegung der Ferrarisscheibe, z. B. durch Kopplung an eine Antriebsachse, werden Ströme, insbesondere Wirbel ströme, in der Ferrarisscheibe induziert, die durch eine De tektorspule ausgewertet werden können und eine der Beschleu nigung der Ferrarisscheibe proportionale Größe bereitstellen.

Die Offenlegungsschrift DE 198 28 372 A1 beschreibt eine sol che Vorrichtung zum Messen von Dreh- und Linearbeschleunigun gen nach dem Ferrarisprinzip. Die dort offenbarte Vorrichtung weist neben der Ferrarisscheibe auch entsprechende Dauermag neten zur Erzeugung eines Hauptfeldes und Detektorspulen mit Sensorwicklungen zum Abgriff der beschleunigungsabhängigen Signale auf.

In der Praxis weisen die Lösungen zur Auswertung eines sol chen Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip gemäß der Stand der Technik erhebliche Defizite auf. Insbesondere bei hoher Drehzahl der Ferrarisscheibe fällt die Empfindlich keit des Sensors stark ab. Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt hierzu ein Diagramm, in dem das Ausgangssignal Vα eines sol chen Drehbeschleunigungssensors nach dem Stand der Technik als Funktion der Drehzahl ω aufgetragen ist. Daran ist deut lich erkennbar, dass bereits bei einem Drehzahlbereich von etwa 3000 bis 3500 U/min das Ausgangssignal des Sensors um 3 dB abfällt.

Dieser typische Empfindlichkeitsverlauf über der Drehzahl von DC-Ferraris-Sensoren kann einerseits der Dissipation in der Scheibe, die zu Erhitzung der Scheibe führt, und andererseits dem Wirbelstromfeld zugeschrieben werden, das bei großer Drehzahl kompensierend auf das angelegte DC-Magnetfeld wirkt.

In direkter Extrapolation zum Stand der Technik könnte man zur Vermeidung dieses unerwünschten Effektes entweder durch Auslegung des Sensors oder durch elektronische Linearisie rung, wie z. B. durch betriebspunktabhängige Verstärkung der Amplitude des Sensorsignals, versuchen, die Empfindlichkeit zu linearisieren.

Durch das Design des Sensors kann beispielsweise durch ge schickte Wahl des Materials der Scheibe, des angelegten Mag netfeldes und des Spaltes zwischen Kopf und Scheibe der Punkt mit einem Abfall des Nutzsignals um 3 dB zu größeren Drehzah len hin verschoben werden, jedoch auf Kosten der Empfindlich keit.

Eine Linearisierung auf elektronischem Wege könnte durch ein drehzahlabhängiges Nachverstärken des Beschleunigungssignals erfolgen. Dazu muss aber der Empfindlichkeitsverlauf über der Drehzahl und die Drehzahl selbst bekannt sein. Außerdem wer den Störgrößen wie Rauschen mitverstärkt, was zu einem gerin geren Störabstand bei höheren Drehzahlen führt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be steht somit darin, einen Ferrarissensor mit Auswerteelektro nik so weiter zu entwickeln, dass der Sensor für einen wesentlich größeren Drehzahlbereich ertüchtigt wird als aus dem Stand der Technik her bekannt ist und Verluste im Hinblick auf die Empfindlichkeit und den Störabstand möglichst niedrig gehalten werden.

Die Erfindung benutzt zur Lösung dieser Aufgabe ebenfalls ei nen Ferrarissensor, jedoch mit Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, indem der eingangs geschilderte Beschleunigungs sensor durch eine Schaltungsanordnung zu dessen Auswertung weitergebildet wird durch einen zusätzlichen Gleichstrom- Magnetfeld-Erregerkreis mit einem Mittel zu dessen Ansteue rung dahingehend, dass das zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld kompensierend auf ein ab einer höheren Drehzahl der Ferra risscheibe auftretendes Wirbelstromfeld einwirkt.

Dies wird erfindungsgemäß und vorteilhaft beispielsweise da durch erreicht, dass der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld- Erregerkreis ein Mittel zur Erzeugung eines zu einem von der Drehzahl der Ferrarisscheibe abhängigen Steuersignal propor tionalen Gleichstroms umfasst, der eine Erregerspule durch fließt, die das zusätzliche kompensierende Gleichstrom-Mag netfeld liefert.

Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Erregerspule derart angeordnet ist, dass das zusätzliche kompensierende Gleichstrom-Magnetfeld im Bereich des induktiven Messkopfes auf die Ferrarisscheibe einkoppelbar ist.

In Folge der Kompensation des Empfindlichkeitsabfalls durch einen zusätzlichen DC-Magnetfeld-Erregerkreis und dazu erfor derliche Mittel zur Ansteuerung gemäß der Erfindung werden die oben genannten Nachteile des Standes der Technik erfolg reich vermieden. Der Erregerkreis enthält ein Mittel zur Stromerzeugung, das einen DC-Strom erzeugt, der proportional zu einem Steuersignal ist und eine Erregerspule, die vom DC- Strom durchflossen wird und ein Magnetfeld erzeugt, das im Bereich des Kopfes auf die Scheibe eingekoppelt wird und kom pensierend auf das DC-Wirbelstromfeld wirkt.

Zur Erzeugung des drehzahlabhängige Steuersignals werden zwei Arten vorgeschlagen:

- die Erzeugung des Steuersignals außerhalb des Beschleuni gungssensors und
- die Gewinnung des Steuersignals aus Größen des Beschleuni gungssensors.

Wird das Steuersignal außerhalb des Beschleunigungssensors generiert, dann funktioniert der Erregerkreis als eine Kom pensationsschaltung ohne Regelwirkung.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Auswerte schaltung nach der Erfindung ist durch die Erregerspule das Hauptmagnetfeld zwischen dem induktiven Messkopf und der Fer rarisscheibe proportional zum drehzahlabhängigen Steuersignal verstärkbar. Dabei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn eine Verknüpfung zwischen der Drehzahl der Ferraris scheibe und dem Steuersignal über eine geeignete Kennlinie erfolgt.

Nach einer ebenfalls vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Erregerspule das Wirbelstrom gleichfeld proportional zum drehzahlabhängigen Steuersignal verringerbar.

Wird das Steuersignal zur Ansteuerung der Erregerspule nicht im Sensor selbst erzeugt, sondern außerhalb, lassen sich so mit grundsätzlich zwei vorteilhafte Arten in der Ausführung unterscheiden.

Die Erregerspule wirkt in Richtung des Hauptfeldes:
Zur Kompensation des Empfindlichkeitsabfalls wird das Haupt feld erfindungsgemäß mit Hilfe der Erregerspule zusätzlich proportional zum Steuersignal verstärkt. Das Steuersignal wird mit einem von außen zugeführten Signal, bspw. der Dreh zahl, verknüpft. Die Verknüpfung erfolgt über eine Kennlinie. Ist der Verlauf der Empfindlichkeit über der Drehzahl be kannt, kann das Hauptfeld mit Hilfe der Kennlinie invers zur Empfindlichkeit drehzahlabhängig verstärkt werden. Dadurch wird der Empfindlichkeitsabfall zu höheren Drehzahlen hin kompensiert. Das Hauptfeld kann dabei von einem Permanentmag neten oder alleine mit der Erregerspule oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.

Die Erregerspule wirkt in Richtung des Wirbelstromfeldes:
Die eigentliche Ursache des Empfindlichkeitsabfalls ist das Wirbelstromfeld. Um der Ursache direkt entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß mit einer geeignet angebrachten Wicklung das Wirbelstromgleichfeld direkt kompensiert. Das Steuersignal wird z. B. über einen Proportionalitätsfaktor mit der Drehzahl verknüpft. Da das Wirbelstromgleichfeld proportional zur Drehzahl ist und das Kompensationsfeld dann proportional zur Drehzahl eingestellt wird, führt dies zur Kompensation des Wirbelstromfeldes, was eine Linearisierung des Sensors be wirkt. Die Kompensation muss nicht exakt sein, weil die Emp findlichkeit um Drehzahl Null über einen gewissen Bereich konstant ist. Die Kompensation muss lediglich dafür sorgen, dass der lineare Bereich nicht verlassen wird. Das Hauptfeld kann auch in diesem Fall von einem Permanentmagneten oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.

Die Verluste bei höheren Drehzahlen sind größer als ohne Kom pensation, jedoch kleiner als bei der vorangehend beschriebe nen Kompensation durch Erhöhen des Hauptfeldes.

Wird das Steuersignal aus Größen im Sensor erzeugt, so schließt sich die Wirkungskette zu einem Regelkreis. Es wer den dabei gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Typen von Re gelkreisen vorgeschlagen:

- ein Regelkreis, der zur Erzeugung des Steuersignals das Signal des Beschleunigungssensors durch nachträgliche In tegration benutzt.
- ein Regelkreis, der zur Erzeugung des Steuersignals einen zusätzlichen Magnetfeldsensor, z. B. einen Hallsensor oder einen XMR-Sensor, benutzt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis mit dem Sensor somit einen Regelkreis, indem das drehzahlab hängige Steuersignal aus der beschleunigungsabhängigen Größe des Sensors generierbar ist.

Besonders einfach und effektiv ist dies realisierbar, indem das drehzahlabhängige Steuersignal durch einen Integrator durch Integration der beschleunigungsabhängigen Größe gene rierbar ist.

Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Auswerte schaltung gemäß der Erfindung gewinnt das drehzahlabhängige Steuersignal somit durch einen weiteren Magnetfeldsensor aus dem magnetischen Feld des Beschleunigungssensors, insbesonde re aus dem Feld im Wirbel.

Mit der Messung des Feldes und der Regeleinrichtung ist es damit möglich, das Feld im Wirbel auf einen bestimmten Wert (z. B. Null) zu regeln und damit einen Empfindlichkeitsabfall zu vermeiden.

Ein weiter vorteilhafte Ausführungsform setzt neben dem Mag netfeldsensor eine Detektorspule zur Erfassung einer durch das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere das Feld im Wirbel, induzierten Spannung ein.

Eine alternative Ausführung der Auswerteschaltung der Erfin dung verzichtet auf eine zusätzliche Detektorspule, indem eine zu einer durch das magnetische Feld des Beschleunigungs sensors, insbesondere das Feld im Wirbel, induzierten Span nung proportionale Größe durch ein Mittel zur Differenziation dieses magnetischen Feldes generierbar ist.

Indem ein ermittelter kompensierender Gleichstrom einen nie derfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert und die durch das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere das Feld im Wirbel, induzierte Spannung oder die dazu propor tionale Größe einen hochfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert können beide Signale zu einem breitbandigen Beschleu nigungssignal kombiniert werden.

Durch Addition des Messwertes des Magnetfeldsensors mit dem Kompensationsstrom lässt sich außerdem auch ein der Drehzahl proportionaler breitbandiger Wert ermitteln.

Besonders vorteilhaft lässt sich ein solcher Beschleunigungs sensor nach dem Ferrarisprinzip mit einer Auswerteschaltung nach der Erfindung in einer numerisch gesteuerten Werkzeugma schine, einem Roboter oder dergleichen einsetzen.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus mehreren im folgenden geschilderten vorteilhaften Ausfüh rungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Figuren. Es zei gen in Prinzipdarstellung:

Fig. 1 einen typischen Empfindlichkeitsverlauf eines Fer raris-Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines bekannten Messkopfes eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines bekannten Messkopfes eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Regelkreises mit Gewinnung eines Steuersignals aus einer Größe des Beschleuni gungssensors,

Fig. 5 eine Anordnung eines Magnetfeldsensors mit Detek torspule und einer Kompensationswicklung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine Prinzipskizze eines Regelkreises zur Regelung eines Kompensationsstromes und Auswertung der Be schleunigung aufbauend auf einer Anordnung nach Fig. 5 und

Fig. 7 eine Prinzipskizze eines Regelkreises zur Regelung eines Kompensationsstromes und Auswertung der Be schleunigung wie in Fig. 6, jedoch ohne Detektorspu le.

Die Darstellung gemäß der Fig. 1 wurde bereits eingangs in der Beschreibungseinleitung erläutert. Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigt beispielhaft einen bekannten Messkopf T eines Beschleuni gungssensors nach dem Ferrarisprinzip in einer Seitenansicht (Fig. 2) und einer entsprechenden Vorderansicht (Fig. 3).

Der Messkopf bzw. Tastkopf T ist auf einem Montageblech bzw. in einem Gehäuse 1 aufgebaut und weist eine detektorseitige Flussführungsstruktur 2 sowie eine ferrarisscheibenseitige Flussführungsstruktur 3 für den magnetischen Fluss auf, die einen hufeisenförmigen Querschnitt beschreiben. Die Flussfüh rungsstruktur 3 weist einen ersten Permanentmagneten 4 auf. An die andere Flussführungsstruktur 2 sind am offenen Ende des hufeisenförmigen Querschnitts auf einer Spulenplatine 9 zwei parallel angeordnete Detektorspulen 6 und 6' mit jewei ligem Kern angebracht. Auf dieser wiederum ist jeweils eine Flussführungsstruktur 7 und 7' mit jeweiligen Permanentmagne ten 5 so angebracht, dass sich die Permanentmagneten 4 und 5 gegenüberliegen und dazwischen ein Luftspalt frei bleibt, in den die Ferrarisscheibe F eingreift. Die Spulenplatine 9 weist einen Kabelkonnektor 10 zum elektrischen Anschluss z. B. einer Auswerteschaltung auf.

Aufbauend auf einer solchen Anordnung aus Messkopf T und Fer rarisscheibe F zeigt die Darstellung nach Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Regelkreis mit Nutzung dieses Beschleunigungssensors zur Ermittelung des zu sätzlichen DC-Magnetfeldes zu Kompensationszwecken.

Eine Gewinnung eines Steuersignals aus einer Größe des Be schleunigungssensors T, 6, 6', F erfolgt dabei nach folgendem Prinzip:
Ein über die Detektorspulen 6 und 6' erfasstes Beschleuni gungssignal Vdet wird in einer Verstärkereinrichtung 11 ver stärkt, mit einer Filtervorrichtung 12 gefiltert und als Nutzsignal Vα für die Regelung beispielsweise eines mit der drehbaren Ferrarisscheibe verbundenen Antriebes freigegeben.

Anschließend wird gemäß der Erfindung das Nutzsignal Vα durch eine nachgeschaltete Integratorschaltung 13 aufintegriert, woraus eine Spannung Vω resultiert, die proportional zur Drehzahl ω ist. Die Spannung Vω wird anschließend an eine Se rienschaltung aus einem resistiven Bauelement R_K und einem induktiven Bauelement, einer vorzugsweise im Bereich des Messkopfes T angeordneten Erregerspule bzw. Kompensationsspu le 14, angelegt und führt so zu einem Strom I_K, der proporti onal der Drehzahl ω ist.

Der Strom I_K erzeugt auf diese Weise im Bereich des Messkop fes T ein zusätzliches Magnetfeld, das proportional der Dreh zahl ω ist und dem unerwünschten DC-Wirbelstromfeld entgegen wirkt. Voraussetzung dabei ist, dass durch den Wickelsinn der Kompensationsspule 14 oder durch die Polarität von der Span nung Vα (z. B. über einen Inverter) gewährleistet ist, dass das Kompensationsfeld die zum Wirbelstromfeld entgegengesetz te Polarität hat.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die in der Fig. 5 veranschaulicht ist, erfasst erfindungsgemäß mit Hilfe einer zusätzlichen Messeinrichtung 15 im Beschleuni gungssensor T, F das magnetische Feld. Dies kann z. B. das Feld Bmess im Wirbel sein.

Über eine geeignet angebrachte Wicklung 14 zur Kompensation des Wirbelstromgleichfeldes wird der Kompensationsstrom I_K so eingestellt, dass das Feld im Messpunkt Bmess der Messein richtung 15 einen vorgebbaren Wert wie z. B. Null annimmt. Der dazu notwendige Kompensationsstrom I_K wird dabei von einer im folgenden näher erläuterten Regelung ermittelt.

Die Fig. 5 zeigt eine entsprechende Anordnung mit Messeinrich tung für das Feld +Bmess und -Bmess, nämlich Magnetfeldsenso ren 15, 15', und Kompensationswicklungen 14, 14' sowie Detek torspulen 16, 16' zur Erfassung einer induzierten Spannung Uind in Prinzipdarstellung. Es ist der Verlauf des Wirbel stroms I_W in der Ferrarisscheibe F skizziert, die sich mit einer Geschwindigkeit v dreht, und das durch den Wirbelstrom hervorgerufene magnetische Feld B.

Mit den Magnetfeldsensoren 15 und 15', die in Analogie zu den Spulen 6 und 6' des Messkopfes T zweifach vorgesehen sind, wird nun in den beiden Messpunkten +Bmess und -Bmess der je weilige durch den Wirbelstrom I_W induzierte Magnetfluss Φ_W erfasst.

Die entsprechend zugeordneten Kompensationswicklungen 14, 14' und die beiden Detektorspulen 16, 16' sind nun in Flussrich tung auf der jeweiligen Achse des induzierten Magnetflusses Φ_W so angeordnet, dass durch die mit dem Kompensationsstrom I_K bzw. -I_K beaufschlagten Kompensationswicklungen 14, 14' das Wirbelstromgleichfeld beeinflussbar und durch die Detek torspulen 16, 16' eine induzierte Spannung Uind erfassbar ist, die sich folgendermaßen bemisst:

Uind = k.N.(dΦ_W/dt) (1)

Die Regeleinrichtung kann dabei in verschiedenen Varianten ausgestaltet sein. In einer ersten Variante, die in der Fig. 6 gezeigt ist, werden zur Erzeugung des Sensorssignals dv/dt die Messeinrichtung 15, 15' für das Feld Bmess (Magnetfeld sensor) und die Detektorspulen 16, 16' zur Erfassung der in duzierten Spannung Uind verwendet.

In der in Fig. 7 gezeigten zweiten Variante kann sogar auf De tektorspulen 16, 16' zur Erfassung der induzierten Spannung Uind verzichtet werden.

Gemäß der ersten Variante nach Fig. 6 gilt im einzelnen:

Die Durchflutung ist:

Φ_W = k_W.L_W.I_W - k_K.L_K.I_K (2)

Mit L_K als der Induktivität der Kompensationswicklung 14 und mit L_W als der Wirbelstrom-Induktivität.

Für das gemessene Feld gilt:

Bmess = k_m.Φ_W (3)

Für die induzierte Spannung gilt die oben angeführte Berech nungsvorschrift (1).

Für den Zusammenhang der Geschwindigkeit v der Ferrarisschei be F und dem Wirbelstrom I_W gilt:

I_W = v.B.W/R_W (4)

mit R_W als dem Wirbelstromwiderstand.

Aus der Gleichung (4) lässt nun durch Differentiation ablei ten:

d/dtv = R_W/(B.W)d/dtI_W

Mit der Gleichung (2) wird daraus:

d/dtv = R_W/(B.W).(d/dt Φ_W + k_K.L_Kd/dtI_K)/(k_W.L_W) (5)

Aus Gleichung (5) wird mit Gleichung (1):

d/dtv = R_W/(B.W.k_W.L_W).(Uind/(k.N) + k_K.L_Kd/dtI_K)

oder vereinfacht:

d/dtv = k₁.Uind + k₂d/dtI_K (6)

Zur Regelung des Feldes Bmess und Auswertung von Gleichung (6) dient nach dieser Variante erfindungsgemäß die in Fig. 6 gezeigte Anordnung, die im folgenden erläutert wird.

Gezeigt ist dabei eine Prinzipskizze der elektrischen Rege lung, mit der die Komponenten 14 bis 16 zur Regelung des Kom pensationsstromes und Auswertung der Beschleunigung angesteu ert bzw. ausgewertet werden. Der Kompensationsstrom I_K wird aus der Differenz '-' des durch den Magnetfeldsensor 15 er mittelten Wertes Φ_W in Bmess und dem Wert Null durch einen PI-Regler 17 ermittelt und in die Kompensationswicklung 14 eingespeist. Weiter wird der Wert I_K mit einem Faktor k₂ ge wichtet und in einem Mittel 18 differenziert. Aus dem dabei erhaltenen Wert wird anschließend durch Addition '+' mit der mit dem Faktor k₁ gewichteten, durch die Detektorspule 16 er mittelte induzierten Spannung Uind eine beschleunigungsabhän gige Größe d/dtv (Beschleunigungswert als Ableitung der Ge schwindigkeit v nach der Zeit t gemäß Gleichung (6) ermit telt.

Prinzipiell möchte man am Ferraris-Sensor ein möglichst breitbandiges Beschleunigungssignal erhalten. Durch alleinige Auswertung des Kompensationsstromes ist insbesondere bei langsamen Kompensationsregelungen die gewünschte Breitbandig keit nicht gegeben. In den Anordnungen nach Fig. 6 und Fig. 7, die im folgenden erläutert werden, enthält das Signal I_K den niederfrequenten Anteil und Bmess den hochfrequenten Anteil der Beschleunigung d/dtv bzw. der Drehzahl v bzw. ω selbst. Durch Kombination beider Größen erhält man dann das gewünsch te breitbandige Signal für die Beschleunigung.

Ist die Regelung also langsam, so wird stationär Bmess zu Null geregelt und dynamisch entsteht ein Feld, das eine Span nung Uind induziert. Der Kompensationsstrom I_K wird mit der Dynamik der Regelung aufgebaut und lässt sich gut differen zieren. Der dynamische Anteil ist in Uind enthalten. Beide zusammen ergeben das (stationär und dynamisch richtige) Be schleunigungssignal.

Ist die Regelung hingegen sehr schnell, so wird Bmess auch dynamisch zu identisch Null. Nach der Berechnungsvorschrift (3) ist auch dynamisch Φ_W = 0 und damit die induzierte Span nung Uind = 0. In dem Fall kann der Zweig mit Uind und k₁ entfallen. Der Eingang des Differenzierers 18 entspricht dann auch stationär und dynamisch der Drehzahl ω.

Für den in Fig. 5 skizzierten negativen Regelungszweig mit den Elementen 14', 15' und 16' gilt das voranstehende entspre chend, jedoch unter Berücksichtigung des entsprechenden Vor zeichenwechsels.

Aus der Berechnungsvorschrift (5) lässt sich im weiteren mit Gleichung (3) ermitteln:

d/dtv = R_W/(B.W).(d/dtBmess/k_m + k_K.L_Kd/dt I_K)/(k_W.L_W)

oder vereinfacht:

d/dtv = k₃d/dtBmess + k₂d/dtI_K (7)

Gemäß der Gleichung (7) kann somit erfindungsgemäß sogar die in der Variante nach Fig. 6 verwendete Detektorspule 16 ent fallen. Stattdessen wird Bmess in einem weiteren Mittel 19 differenziert und mit k₃ gewichtet zu einem der induzierten Spannung Uind proportionalen Signal 20 weiterverarbeitet.

Die Darstellung nach Fig. 7 zeigt eine solche an Fig. 6 ange lehnte Anordnung zur Regelung des Kompensationsstromes I_K und Auswertung der Beschleunigung. Der Kompensationsstrom I_K wird genau wie bei Fig. 6 beschrieben über den PI-Regler 17 gere gelt und über den Faktor k₂ und den Differenzierer 18 weiter verarbeitet. Durch Addition '+' dieses Signals mit dem Signal 20 erhält man die beschleunigungsabhängige Größe d/dtv (Be schleunigungswert als Ableitung der Geschwindigkeit v nach der Zeit t) gemäß Gleichung (7).

Durch Addition '+' der mit k₃ gewichteten Bmess und dem mit k₂ gewichteten Kompensationsstrom I_K lässt sich zudem ein breitbandiger Geschwindigkeitswert v ermitteln.

Ist die Regelung wiederum langsam, so liefert der Zweig über I_K den stationären, über Bmess den dynamischen Anteil des Be schleunigungswertes.

Natürlich kann alternativ zur in Fig. 7 gezeigten Ausführungs form auch zuerst addiert und dann (nur einmal) differenziert werden. Dadurch wird einer der Differenzierer 18 oder 19 ent behrlich. Vor der Differentiation liegt das (stationär und dynamisch richtige) Drehzahlsignal v bzw. ω an.

Ist die Regelung wiederum sehr schnell, so wird Bmess auch dynamisch zu identisch Null. Der entsprechende Zweig liefert Null, er kann dann entfallen.

Die Verluste bei höheren Drehzahlen sind nach diesem Prinzip zwar größer als ohne erfindungsgemäße Kompensation, jedoch kleiner als bei Kompensation durch Erhöhen des Hauptfeldes. Sie sind identisch wie im Falle der gesteuerten Kompensation.

Selbstverständlich lassen sich mit Kenntnis der voranstehen den Ausführungen durch den Fachmann je nach Bedarfsfall wei tere vorteilhafte Ausführungsformen konstruieren, die aber allesamt auf dem Prinzip der Kompensation des Wirbelstrom gleichfelds nach der Erfindung beruhen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip mit einem induktiven Mess kopf (T), der mit einer beweglichen Ferrarisscheibe (F) im wesentlichen über ein Hauptmagnetfeld zusammenwirkt und über eine Sensorwicklung (6, 6') eine beschleunigungsabhängige Größe (Vdet; Vα) liefert, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis mit einem Mittel zu des sen Ansteuerung dahingehend, dass das zusätzliche Gleich strom-Magnetfeld kompensierend auf ein ab einer höheren Dreh zahl der Ferrarisscheibe (F) auftretendes Wirbelstromfeld einwirkt.

2. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis ein Mit tel (13, R_K) zur Erzeugung eines zu einem von der Drehzahl (ω) der Ferrarisscheibe (F) abhängigen Steuersignal (Vω) pro portionalen Gleichstroms (I_K) umfasst, der eine Erregerspule (14) durchfließt, die das zusätzliche kompensierende Gleich strom-Magnetfeld liefert.

3. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (14) derart angeordnet ist, dass das zusätz liche kompensierende Gleichstrom-Magnetfeld im Bereich des induktiven Messkopfes (T) auf die Ferrarisscheibe (F) einkop pelbar ist.

4. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erregerspule (14) das Hauptmagnetfeld zwischen dem induktiven Messkopf (T) und der Ferrarisscheibe (F) proportional zum drehzahlabhängigen Steuersignal (Vω) verstärkbar ist.

5. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verknüpfung zwischen der Drehzahl (ω) der Ferrarisschei be (F) und dem Steuersignal (Vω) über eine geeignete Kennli nie erfolgt.

6. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erregerspule (14) das Wirbelstromgleichfeld propor tional zum drehzahlabhängigen Steuersignal (Vω) verringerbar ist.

7. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis (13, 14, I_K, R_K) mit dem Sensor einen Regelkreis bildet, indem das drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) aus der beschleunigungs abhängigen Größe (Vα) des Sensors generierbar ist.

8. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) durch einen Integra tor (13) durch Integration der beschleunigungsabhängigen Grö ße (Vα) generierbar ist.

9. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) durch einen weiteren Magnetfeldsensor (15) aus dem magnetischen Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere aus dem Feld (Bmess) im Wirbel, ableitbar ist.

10. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Magnetfeldsensor (15) als Hallsensor oder XMR- Sensor ausgebildet ist.

11. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Messwertes des Magnetfeldsensors (15) das Feld (Bmess) im Wirbel auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere zu Null, regelbar ist.

12. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Magnetfeldsensor (15) eine Detektorspule (16, 16') zur Erfassung einer durch das magnetische Feld des Beschleu nigungssensors, insbesondere das Feld (Bmess) im Wirbel, in duzierten Spannung (Uind) vorgesehen ist.

13. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu einer durch das magnetische Feld des Beschleunigungs sensors, insbesondere das Feld (Bmess) im Wirbel, induzierten Spannung (Uind) proportionale Größe (20) durch ein Mittel zur Differentiation (19) dieses magnetischen Feldes (Bmess) gene rierbar ist.

14. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein ermittelter kompensierender Gleichstrom (I_K) einen nie derfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert und die durch das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere das Feld (Bmess) im Wirbel, induzierte Spannung (Uind) oder die dazu proportionale Größe (20) einen hochfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert und beide Signale (I_K; Uind, 20) zu einem breitbandigen Beschleunigungssignal kombinierbar sind.

15. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Addition des Messwertes (Bmess) des Magnetfeldsensors (15) mit dem Kompensationsstrom (I_K) ein der Drehzahl (v, ω) proportionaler breitbandiger Wert ermittelbar ist.

16. Verwendung von einem Beschleunigungssensor nach dem Fer rarisprinzip und einer Auswerteschaltung nach einem der vo rangehenden Ansprüche in einer numerisch gesteuerten Werk zeugmaschine, Roboter oder dergleichen.