DE102005007188A1 - Verwendung einer aktiven Messanordnung zur Messung einer linearen Weg- oder Winkelverschiebung eines Körpers - Google Patents

Abstract

Es wird die Verwendung einer aktiven Messanordnung (8), die ein Magnet-Sensorelement (10), eine steuerbare Stromquelle (22), die einen eingeprägten Strom (I1, I2, I3, I) liefert, und einen Modulator (20) umfasst, der in Abhängigkeit von Signalen des Magnet-Sensorelements (10) die Stromquelle (22) steuert, zur Messung einer linearen Weg- oder Winkelverschiebung eines Körpers (4) angegeben, wobei dem Magnet-Sensorelement (10) eine am Körper (4) angeordnete Kulisse (6) mit einem Encoder (7) zugeordnet ist. Dadurch können kostengünstig bekannte Standardbauteile verwendet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer aktiven Messanordnung zur Messung einer linearen Weg- oder Winkelverschiebung eines Körpers im Maschinenbau, insbesondere in der Kraftfahrzeug-Technik im Bereich geregelter Bremssysteme.
• In der Kraftfahrzeug-Technik sind verschiedene Systeme zur Messung von Drehzahlen, beispielsweise von Raddrehzahlen, bekannt. Dabei werden verschiedene sensorische Anordnungen eingesetzt. Sie bestehen in der Regel aus einem Signalgeber oder Impulsgeber, auch Encoder genannt, der mechanisch mit einem rotierenden Maschinenteil, beispielsweise einem Rad, verbunden ist, und einem auch als Wandlerelement bezeichneten Sensorelement oder Messwertaufnehmer, der diesen Impulsgeber abtastet. Diese Abtastung kann beispielsweise über Licht- oder Hochfrequenzsignale, elektrische oder magnetische Felder erfolgen. Als Encoder sind unter anderem Lochscheiben, Zahnräder, insbesondere ferromagnetische Zahnräder und magnetische Strukturen bekannt.
• Bei der Ausgestaltung derartiger Anwendungen ist es grundsätzlich wünschenswert, signaltechnisch verlässliche und reproduzierbare Messwerte generieren zu können und andererseits möglichst preisgünstige Lösungen zu realisieren. Eine Lösung, die beim Stand der Technik vergleichsweise verbreitet ist und diese Vorgaben erfüllt, setzt sich aus einem Encoder, der mit dem rotierenden Maschinenteil verbunden ist, einem Sensorelement sowie einer Auswerteschaltung zum Auslesen des Sensorelements zusammen. Bei einer Auslegung für magnetische Erfassung ist der Encoder entweder aus ferromagnetischem Material, beispielsweise ein Zahnrad aus Stahl, oder besteht aus einem permanent magnetischen Werkstoff, welches segmentweise entgegengesetzt magnetisiert ist. Der magnetoresistive Sensor, im folgenden auch Magnet-Sensorelement genannt, wird im Falle eines weichmagnetischen Encoders hierzu mit einem Arbeitsmagneten ausgestattet sein, um selbst ein magnetisches Feld zu erzeugen.
• In der DE 196 34 715 A1 wird vorgeschlagen, den Ausgang eines Magnet-Sensorelements einem Modulator zuzuführen, der eine steuerbare Stromquelle moduliert, die dann einen das Drehverhalten darstellenden eingeprägten Strom liefert. Bei einer derartigen aktiven Messanordnung wird die Stromquelle, der Modulator und das Magnet-Sensorelement über eine Zweidrahtleitung mit elektrischer Spannung versorgt. Über dieselbe Zweidrahtleitung wird die Stromänderung erfasst. Die durch den Encoder im Magnet-Sensorelement erzeugte periodische Magnetfeldänderung kann über eine sich anschließende Auswerteschaltung erfasst und so die Drehzahl des bewegten Maschinenteils gemessen werden.
• Bei heutigen Anwendungen im Kraftfahrzeug-Bereich ist es für weitergehende Funktionen wie beispielsweise bei der Realisierung moderner Bremssysteme erforderlich, zusätzlich zur Bestimmung der Drehzahl eine Winkel- oder auch eine lineare Wegverschiebung von Komponenten zu messen. Dies ist insbesondere für Anwendungen in hydraulischen, elektrohydraulischen oder elektronischen Bremssystemen, bei der Parkbremse oder auch im Antriebsgetriebe von Bedeutung. Für eine derartige Anwendung wird in der Regel eine separate Messanordnung benötigt. Nachteilig daran ist, dass zusätzliche Kosten für dieses Meßsystem anfallen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich eine lineare Weg- oder eine Winkelverschiebung eines Körpers messen lässt, das besonders kostengünstig bereit gestellt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung einer aktiven Messanordnung, die ein Magnet-Sensorelement, eine steuerbare Stromquelle, die einen eingeprägten Strom liefert, und einen Modulator umfasst, der in Abhängigkeit von Signalen des Magnet-Sensorelements die Stromquelle steuert, zur Messung einer linearen Weg- oder Winkelverschiebung eines Körpers, wobei dem Magnet-Sensorelement eine am Körper angeordnete Kulisse mit einem Encoder zugeordnet ist.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich eine eingangs beschriebene aktive Messanordnung zur Bestimmung der Drehzahl in modernen Kraftfahrzeugen gegenüber einer passiven Messanordnung inzwischen durchgesetzt hat und allgemein gebräuchlich ist. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass eine derartige Drehzahlerfassung signal-technisch robust und ökonomisch preiswert ist. Das Magnet-Sensorelement, der Modulator, die steuerbare Stromquelle oder der Zusammenbau dieser Bauteile zu einem integrierten Sensormodul oder Messanordnung sind mittlerweile Standardbauteile.
• Die Erfindung geht nun weiter von der Überlegung aus, zur preisgünstigen Bereitstellung einer Messanordnung zur Bestimmung der Weg- oder Winkelverschiebung im Vergleich zur Drehzahlerfassung möglichst ähnliche oder sogar gleiche Bauteile einzusetzen. Auf diese Weise kann sowohl die Drehzahlmessung als auch die Messung der Weg- oder Winkelverschiebung in einem kombinierten Messsystem erfolgen, wobei insbesondere gleiche Bauteile beim Aufbau der Messsysteme verwendet werden können. Zudem lassen sich bei Anwendungen von Standardbauteilen zuverlässige Messergebnisse bei geringen Herstellungskosten erzielen.
• Bei der Verwendung einer Kombination von mehreren am Körper angeordneten Kulissen oder Weggebern sowie Magnet-Sensorelementen lässt sich eine zusätzliche Information über die zu bestimmende Position eines Punktes des Körpers gewinnen, indem man die Messsignale der einzelnen Magnet-Sensorelemente entsprechend miteinander kombiniert oder überlagert. Das so entstehende Signal entspricht einer vergleichsweise zuverlässigen Positionscodierung des Körpers. Auf diese Weise können auch Bewegungen des Körpers in verschiedene Richtungen verfolgt werden. Die Signalerfassung der Magnet-Sensorelemente erfolgt durch die Veränderung eines Magnetfeldes, wie es auch bei der Drehzahlmessung der Fall ist.
• Dabei kann der Encoder aus einem ferromagnetischen Material, wie z. B. Stahl, hergestellt sein. Durch das Eindringen des ferromagnetischen Materials in das insbesondere durch das Magnet-Sensorelement erzeugte Magnetfeld ändert sich dieses, was detektiert wird.
• Der Encoder kann aber auch selbst magnetisiert sein. Bei der Verwendung von magnetisierten Encodern weisen diese zweckmäßigerweise eine Segmentierung auf, wobei die einzelnen Segmente jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind.
• Um eine zusätzliche Information für die Bestimmung der Winkel- oder Wegverschiebung zu gewinnen, können die Kulissen eine unterschiedliche Anzahl von Kulissen- oder Encodersegmenten aufweisen. Dadurch kann durch eine geeignete Überlagerung der Ausgangssignale der Magnet-Sensorelemente ein Signal erstellt werden, das zusätzliche Informationen enthält.
• Um im Bereich der Magnet-Sensorelemente beim Vorbeilauf der Kulissen eine entsprechende Magnetfeldänderung zu erreichen, ist vorteilhafterweise jedem Magnet-Sensorelement ein Permanentmagnet zugeordnet. Durch den Vorbeilauf der Kulissen an den Magnet-Sensorelementen ändert sich die Permeabilitätszahl, so dass eine Magnetfeldänderung eintritt. Der Permanentmagnet ist zweckmäßigerweise so zu wählen, dass das Magnet-Sensorelement sowohl zum Betrieb mit ferromagnetischen als auch mit magnetisierten Encodern genutzt werden kann.
• Um die Bauteile und damit auch die Kosten für die Messanordnung möglichst gering zu halten, ist eine Mehrzahl von Magnet-Sensorelementen vorgesehen, denen zweckmäßigerweise ein gemeinsamer Permanentmagnet zugeordnet ist. Für die Anwendung ist bei einer entsprechend nahen Anordnung der Magnet-Sensorelemente zueinander nur ein einziger Permanentmagnet nötig, da durch diesen nur bezweckt wird, ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen, das jeweils durch die Bewegung der jeweiligen Kulissen bzw. Encoder im jeweiligen Messraum veränderbar ist.
• Für eine weitere Kostenoptimierung können eine Anzahl von Magnet-Sensorelementen zu einem Sensormodul zusammengefasst werden.
• Um bei Verwendung mehrerer Kulissen ein die Bewegung des Körpers darstellendes Signal zu generieren, werden vorzugsweise eine Mehrzahl von aktiven Messanordnungen mit jeweiligen steuerbaren Stromquellen parallel eingesetzt. Die eingeprägten Ausgangsströme der Stromquellen können dann von einer gemeinsamen Auswerteschaltung ausgewertet werden. Bei einer derartigen parallelen Auswertung einzelner Messanordnungen ist bei Verwendung eines gemeinsamen Spannungspotentials für jede hinzugefügte Messanordnung nur eine weitere Leitung hinzuzufügen.
• Um die Anzahl der Messleitungen zwischen den Messanordnungen und der Auswerteeinheit weiter zu verringern, werden eine Anzahl von Messanordnungen vorteilhafterweise bezüglich der Stromquellen elektrisch parallel miteinander verschaltet. Das entstehende Ausgangssignal entspricht dann der Summe der eingeprägten Ausgangsströme der einzelnen Stromquellen, die sich durch die Bewegung des Körpers ändern. Für alle parallel geschalteten Messanordnungen genügen daher zwei Leitungen, um eine Verbindung zur Auswerteeinheit und zur Versorgung der gesteuerten Stromquelle zu realisieren. Das entstehende Summensignal entspricht bei einer geeigneten Anordnung der Kulissen bzw. der Encoder einer Positionscodierung des bewegten Körpers.
• Um aus den parallelen Ausgangssignalen bzw. dem Gesamtsignal die Winkel- oder Wegverschiebung des bewegten Körpers zu bestimmen, wird das parallele Ausgangssignal bzw. das Gesamtsignal der Stromquelle vorzugsweise von der Auswerteeinheit dekodiert, indem der Amplitude des Signals die Position des bewegten Körpers zugeordnet wird.
• Um mit der beschriebenen Anordnung neben der Weg- und Winkelverschiebung ebenfalls eine Geschwindigkeitsmessung vornehmen zu können, wird in der Auswerteeinheit vorteilhafterweise die Frequenz eines Ausgangssignals bestimmt. Um dieses zu realisieren, kann auch ein Magnet-Sensorelement verwendet werden, das durch eine separate Messleitungen mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Die gemessene Frequenz verhält sich dabei proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des bewegten Körpers.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit Standardbauteilen, die in der Regel bei der Drehzahlmessung an einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, auch eine lineare Weg- oder Winkel-Messanordnung realisierbar ist. Daher kann die Anordnung zur Messung der Weg- oder Winkel-Verschiebung zu sehr niedrigen Kosten realisiert werden, wenn auf die beschriebenen Bauteile zurückgegriffen wird. Eine weitere Kostenoptimierung kann erreicht werden, wenn die beiden Messsysteme in einem Messsystem zusammengefasst werden. Die Messanordnung ist dabei besonders zur Anwendung in einem hydraulischen, elektrohydraulischen oder elektronischen Bremssystem, einer Parkbremse oder einem Antriebsgetriebe geeignet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 den Aufbau einer aktiven Messanordnung zur Bestimmung einer Weg- und Winkelverschiebung,
• 2 schematisch die elektrische Verschaltung der Messanordnung nach 1,
• 3 die Ausgangssignale der Stromquelle einer Messanordnung nach 1,
• 4 einen Aufbau von zwei Messanordnungen, denen ein gemeinsamer Permanentmagnet zugeordnet ist,
• 5 schematisch eine parallele Auswertung mehrerer Messanordnungen,
• 6 schematisch eine parallele elektrische Verschaltung mehrerer Messanordnungen und
• 7 die Ausgangsignale der parallel verschalteten Messanordnungen nach 6.
• Gleiche Teile sind in allen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist schematisch eine aktive Messanordnung 8 zur Bestimmung der Wegverschiebung eines in einer durch den Doppelpfeil 2 dargestellten Bewegungsrichtung x bewegbaren Körpers 4 dargestellt. Der Körper 4 kann dabei insbesondere Teil eines Bremssystems in einem Kraftfahrzeug sein. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich somit um die Erfassung einer linearen Wegverschiebung; alternativ kann aber auch die Erfassung einer Winkelverschiebung vorgesehen sein.
• Der bewegte Körper 4 ist dazu mit einer Anzahl von Kulissen 6 versehen, die in Bewegungsrichtung x des Körpers 4 gesehen über einen darin enthaltenen, nicht sichtbaren Encoder 7 zumindest segmentweise eine ortsabhängig variierende magnetische Permeabilität oder Magnetisierung aufweisen. Die Messanordnung 8 umfasst ein Magnet-Sensorelement 10 mit einer integrierten Signalaufbereitung, das mit der ihm zugeordneten Kulisse 6 zusammen wirkt und abhängig von den magnetischen Eigenschaften der Kulisse 6 ein Ausgangssignal erzeugt. Über Leiter 13 ist das Magnet-Sensorelement mit einer Funktionseinheit 16 verbunden, die einen hier nicht sichtbaren Modulator und eine dadurch steuerbare, ebenfalls nicht sichtbare Stromquelle umfasst. Durch die Verschiebung der Kulisse 6 in Bewegungsrichtung x wird somit eine Positionsänderung des Körpers 4 durch das Magnet-Sensorelement 10 erkannt. Das Magnet-Sensorelement 10 ist weiter mit einem Arbeits- oder Stützmagneten 18 zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes versehen.
• Zur Auswertung ist die Funktionseinheit 16 bzw. die darin enthaltene steuerbare Stromquelle über eine elektrische Zweidrahtleitung 11 mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden, wie dies schematisch in 2 gezeigt ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 12 umfasst einen Signalempfänger 14. Dieser liefert eine Hilfsspannung U_B an die Zweidrahtleitung 11 und kann die von dieser empfangenen Stromsignale in Zahlenwerte wandeln. Man erkennt in der Funktionseinheit 16 den Modulator 20, der mit dem hier nicht dargestellten Magnet-Sensorelement 10 verbunden ist, und die steuerbare Stromquelle 22. Die Stromquelle 22 wird über die Zweidrahtleitung 11 gespeist und liefert in diese den eingeprägten Strom.
• Der Stromverlauf in der Zweidrahtleitung 11 der Messanordnung 8 gemäß 1 und 2 ist als Strom – Wege – Diagramm in 3 dargestellt. Der Ausgangsstrom I ändert sich infolge der magnetischen Eigenschaften der Kulisse 6 je nach relativer Positionierung des Magnet-Sensorelements 10 zu den Flanken der Kulissensegmente.
• Im Ausführungsbeispiel nach 4 sind zwei aktive Messanordnungen 8 mit jeweils einem Magnet-Sensorelement 10 und einer Funktionseinheit 16 zusammen angeordnet. Jedem Magnet-Sensorelement 10 sind dabei entsprechende Kulissen 6 zugeordnet. Die Kulissen 6 verlaufen dabei in Bewegungsrichtung x des Körpers 4. Die Kulissen 6 der beiden dargestellten Kulissenführungen sind unterschiedlich groß ausgeführt und zueinander versetzt angeordnet. Um die Anordnung möglicht kostengünstig zu gestalten, sind beide Messanordnungen 8 identisch als eine Kombination von Standardmesskomponenten ausgeführt.
• Beiden Messanordnungen 8 ist als Stützmagnet ein zentral angeordneter Permanentmagnet 18 zugeordnet, an dem sich oberhalb und unterhalb die beiden Magnet-Sensorelemente 10 befinden, die zu den zugeordneten Kulissen 6 hin ausgerichtet sind. Der Permanentmagnet 18 erzeugt ständig ein Magnetfeld, das im Bereich der Magnet-Sensorelemente 10 und der sich bewegenden Kulissen 6 verläuft. Bei einem Vorbeilauf der Kulissen 6 kommt es durch die in den Kulissen integrierten Encoder zu einer Magnetfeldänderung in diesem Bereich, da sich die Permeabilitätszahl ändert, weil sich das Medium im Magnetfeld von Luft zum Encodermedium ändert und umgekehrt. Um diese Magnetfeldänderung besonders einfach über die Magnet-Sensorelemente 10 zu messen, sind die damit verbundenen Funktionseinheiten 16 und somit die steuerbaren Stromquellen 22 elektrisch parallel geschaltet und über eine Zweidrahtleitung 11 mit der Auswerteeinheit 12 verbunden. Bei einem sich ändernden Magnetfeld kommt es so über die sich einstellende elektrische Widerstandsänderung zu einer Änderung des Stroms. Dabei addieren sich die Ströme beider Messanordnungen 8 hinsichtlich ihrer Amplitude.
• 5 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung, bei welcher mehrere aktive Messanordnungen 8 parallel ausgewertet werden. Von den Messanordnungen 8 sind dabei der Einfachheit halber nur die jeweils in einer Funktionseinheit zusammengefassten Modulatoren 20 und die steuerbaren Stromquellen 22 dargestellt. Jede Stromquelle 22 ist über eine separate Zweidrahtleitung 11 mit der zentralen Auswerteschaltung 12 verbunden. Somit wird jede Stromquelle 22 über eine eigene Zweidrahtleitung 11 mit elektrischer Spannung versorgt. Jede Messanordnung 8 wird auch über die separate Zweidrahtleitung 11 ausgelesen.
• In 6 ist ein Prinzipschaltbild einer Anzahl von drei aktiven Messanordnungen 8 dargestellt, die hinsichtlich ihrer Stromquellen 22 elektrisch parallel geschaltet sind. Man kann entnehmen, wie die drei Stromquellen 22 mit der Auswerteeinheit 12 über eine einzige Zweidrahtleitung 11 miteinander verschaltet sind. An allen Stromquellen 22 liegt zur elektrischen Versorgung die konstante Hilfsspannung U_B an, die die Auswerteeinheit 12 liefert. Infolge der parallelen Anordnung addieren sich die Sensorströme I1, I2 und I3 aus den einzelnen Stromquellen 22 zu einem gemeinsamen Sensorstrom I, aus dessem Verhalten Rückschlüsse auf die Position oder die Geschwindigkeit des Körpers 4 gezogen werden können.
• In 7 sind hierzu die einzelnen Sensorströme I1, I2, I3 und der sich ergebende Gesamtstrom I in Abhängigkeit der Kulissenbereiche dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass der Strom I eine Positionskodierung des Körpers 4 darstellt. Aus dem Strom I lässt sich mittels der Auswerteeinheit 12 diese Position berechnen. Auch kann aus der Frequenz der Amplitudenänderung auf die Geschwindigkeit der Bewegung des Körpers 4 zurückgeschlossen werden.

2

Doppelpfeil

4

Körper

6

Kulissen

8

Messanordnung

7

Encoder

10

Magnet-Sensorelement

11

Zweidrahtleitung

12

Auswerteeinheit

13

Leiter

14

Signalempfänger

16

Funktionseinheit

18

Permanentmagnet

20

Modulator

22

Stromquelle

U_B

Hilfsspannung

I1

Sensorstrom I 1

I2

Sensorstrom I 2

I3

Sensorstrom I 3

I

Sensorstrom I

Claims (12)

1. Verwendung einer aktiven Messanordnung (8), die ein Magnet-Sensorelement (10), eine steuerbare Stromquelle (22), die einen eingeprägten Strom (I1, I2, I3, I) liefert, und einen Modulator (20) umfasst, der in Abhängigkeit von Signalen des Magnet-Sensorelements (10) die Stromquelle (22) steuert, zur Messung einer linearen Weg- oder Winkelverschiebung eines Körpers (4), wobei dem Magnet-Sensorelement (10) eine am Körper (4) angeordnete Kulisse (6) mit einem Encoder (7) zugeordnet ist.
2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Encoder (7) ferromagnetisch ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Encoder (7) magnetisiert ist.
4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei der Encoder (7) segmentweise entgegengesetzt magnetisiert ist.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dem Magnet-Sensorelement (10) ein Permanentmagnet (18) zugeordnet ist.
6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei eine Mehrzahl von Magnet-Sensorelementen (10) vorgesehen sind, denen der Permanentmagnet (18) gemeinsam zugeordnet ist.
7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Mehrzahl von Permanentmagneten (18) vorgesehen sind, von denen jeder jeweils einem oder einigen Magnet-Sensorelementen (10) zugeordnet ist.
8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Körper (4) mehrere Kulissen (6) angeordnet sind.
9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere der aktiven Messanordnungen (8) von einer gemeinsamen Auswerteschaltung (12) parallel ausgewertet werden.
10. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere der aktiven Messanordnungen (8) bezüglich der Stromquelle (22) elektrisch parallel miteinander verschaltet sind.
11. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der Position des Körpers (4) die Amplitude des Stroms (I1, I2, I3, I) ausgewertet wird.
12. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers (4) die Frequenz des Stroms (I1, I2, I3, I) ausgewertet wird.