DE102007036202B4

DE102007036202B4 - Prüf- und Simulationsschaltung für Magnetfeldsensoren

Info

Publication number: DE102007036202B4
Application number: DE200710036202
Authority: DE
Inventors: Tobias Windmüller; Christian Huber; Alexander Fink; Dieter Wörner
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2027-11-03
Also published as: DE102007036202A1

Abstract

Prüf- und Simulationsschaltung für Magnetsensoren mit einem Magnetfeldsensor, der mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente (2, 3) aufweist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, mit mindestens zwei Magnetspulen (4, 6), die den Magnetfeldsensorelementen (2, 3) gegenüberliegend angeordnet sind und mit einem Frequenzgenerator (10), der die Magnetspulen (4, 6) mit einem Wechselspannungssignal erregt, wobei von den Magnetspulen (4, 6) erzeugte Magnetfelder dadurch gegeneinander phasenversetzt sind, daß die Wicklungen der Magnetspulen (4, 6) gegensinnig gewickelt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüf- und Simulationsschaltung für Magnetsensoren. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Prüf- und Simulationsschaltung für Drehzahlsensoren der Kraftfahrzeugtechnik.
Die DE 44 29 311 C2 zeigt eine Prüf- und Simulationsschaltung für einen magnetfeldsensitiven Raddrehzahlsensor mit einem Magnetsensor und einer Magnetspule, die dem Magnetsensor gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Magnetspule durch einen Frequenzgenerator mit einem Wechselspannungssignal erregt wird.
Mit dieser Prüf- und Simulationsschaltung kann also durch Ansteuerung der Magnetspule durch den Frequenzgenerator ein magnetisches Signal erzeugt werden, das Raddrehungen simuliert.
In der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzte Raddrehzahlsensoren (vgl. ”Kraftfahrttechnisches Taschenbuch”, Bosch, 22. Auflage, Seite 107 bis 109) detektieren üblicherweise Änderungen eines Magnetfeldes an einem Polrad, die durch abwechselndes Vorbeilaufen eines Zahnes oder einer Lücke des Polrades verursacht werden. Passive Sensoren bestehen aus einem Stabmagneten mit weichmagnetischem Polstift, der eine Induktionsspule trägt. Wird ein ferromagnetisches Zahnrad relativ zu dem Stabmagneten bewegt, so wird in der Induktionsspule eine der zeitlichen Änderungen des Magnetflusses proportionale Spannung induziert. Bei gleichmäßiger Zahnstruktur ergibt sich ein etwa sinusförmiger Spannungsverlauf.
Neuere Sensoren auf Halbleiterbasis nutzen den Hall-Effekt oder GMR- bzw. AMR-Effekt und detektieren eine Änderung des Magnetfeldes zwischen Zahn und Lücke eines Polrades mit Hall-Elementen oder magnetoresistiven Elementen. Sie geben aktiv ein Frequenzsignal aus. Um auch eine Bewegungs- oder Drehrichtung detektieren zu können, haben diese Sensoren mindestens zwei oder auch mehr Magnetsensorelemente, die in der Bewegungsrichtung in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind.
Zum Prüfen solcher Sensoren auf Ihre Funktionsfähigkeit sowie auch bei der Entwicklung von Schaltungen, die mit solchen Sensoren arbeiten, muß beim Stand der Technik eine Relativbewegung zwischen dem Polrad und dem Sensor herbeigeführt werden. Üblicherweise wird hierzu ein Polrad elektrisch angetrieben. Für Entwicklungs- und Simulationszwecke ergibt sich daraus ein hoher Platzbedarf und ein teurer mechanischer Aufbau. Weiter sind rotierende Teile vorhanden, was zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordert. Störungen im Signalverlauf müssen über speziell präparierte Polräder mit hohem Aufwand simuliert werden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die eingangs genannte DE 44 29 311 C2 eine Prüf- und Simulationsschaltung vor, die ohne bewegte Teile arbeitet. Allerdings kann diese bekannte Prüfeinrichtung nur die Drehzahl detektieren, nicht aber eine simulierte Drehrichtung.
Zur Erkennung der Drehrichtung ist es allgemein bekannt, mindestens zwei in Drehrichtung eines Encoders zueinander versetzt angeordnete Sensorelemente zu verwenden ( DE 10 2006 007 871 A1 ), deren Ausgangssignale beim Vorbeilaufen eines Zahnes eines sich drehenden Polrades gegeneinander phasenversetzt sind. Aus dem Phasenversatz der beiden Signale läßt sich die Drehrichtung ermitteln.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Prüf- und Simulationsschaltung für Magnetsensoren dahingehend zu verbessern, daß eine Prüfung vorgenommen werden kann, die auch eine Ermittlung der simulierten Drehrichtung gestattet.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegeben Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Hierbei steuert ein einziger Signalgenerator die beiden Magnetspulen, deren Wicklungen gegensinnig gewickelt sind, an.
Die Ansteuerung der Spulen aus dem Frequenzgenerator kann im Prinzip mit beliebigen Wechselspannungssignalen erfolgen, wie z. B. Sinussignalen, Rechtecksignalen, Dreiecksignalen, Sägezahnsignalen.
Durch Änderung des Vorzeichens der Phasenverschiebung kann eine Drehrichtungsumkehr simuliert werden. Durch Änderung der Frequenz kann eine Drehzahländerung simuliert werden. Durch Änderung der Phasenverschiebung und/oder der Amplitude können auch Polradfehler simuliert werden.
Mit der Schaltung nach der Erfindung erzielt man den wesentlichen Vorteil, daß keine bewegten oder rotierenden Teile benötigt werden, was die Unfallgefahr reduziert. Auch ist der Aufbau insgesamt sehr klein und leicht realisierbar, so daß die Schaltung nach der Erfindung auch für Labor-, Büro oder Produktionsumgebungen einsetzbar ist. Auch für die Endprüfung an einem Produktionsband kann die Schaltungsanordnung eingesetzt werden.
Auch kann die Schaltung nach der Erfindung als Prüfgerät für Werkstätten eingesetzt werden. Damit können beispielsweise Drehzahlsensoren für Kraftfahrzeugräder aber auch Drehzahlsensoren für Motorsteuerungen auf ihre Funktion überprüft werden, ohne daß Teile, wie Räder oder der Motor, bewegt werden müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 Ein Prinzipschaltbild der Prüf- und Simulationsschaltung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt einen Magnetfeldsensor 1, der zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Magnetfeldsensorelemente 2 und 3 aufweist. Beispielsweise können dies Hall-Elemente sein oder sonstige Halbleitersensoren, die in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ein elektrisches Signal liefern. Solche Sensoren sind allgemein bekannt und im Handel erhältlich und müssen daher nicht näher beschrieben werden. Beim normalen Einsatz solcher Sensoren als Drehzahlsensoren wird ein sogenanntes Polrad mit Zähnen und Lücken an dem Sensor vorbei bewegt, so daß die Sensorelemente 2 und 3 jeweils einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt werden und entsprechende Signale liefern, die in einer Auswerteschaltung, einem Steuergerät oder ähnlichem weiter verarbeitet werden.
Zum Prüfen solcher Sensoren und zur Simulation deren Funktion schlägt die Erfindung vor, zwei Magnetspulen 4 und 6 in etwa gegenüberliegend zu den Sensorelementen 2 und 3 anzuordnen, wobei die Magnetspulen 4 und 6 jeweils einen Polstift 5 bzw. 7 aufweisen. Die Magnetspulen 4 und 6 werden von einem Frequenzgenerator 10 über je einen Verstärker 8 und 9 mit einer Wechselspannung beaufschlagt.
Der Wicklungssinn der Wicklungen der beiden Magnetspulen 4 und 6 ist gegensinnig, so daß die Richtung der Magnetfelder der Magnetspulen 4 und 6 gegensinnig ist, so daß die Magnetfelder der Magnetspulen 4 und 6 auch bei gleichphasiger Ansteuerung gegensinnig laufen, also eine Phasenverschiebung von 90° haben. Dieser Fall ist mit den entgegengesetzt gerichteten Pfeilen 11 und 12 dargestellt. Zusätzliche Phasenverschiebungen erhält man aber auch durch den Frequenzgenerator 10, bei dem sowohl Frequenz als auch Phasenlage und damit zeitlicher Versatz der den beiden Verstärkern 8 und 9 zugeführten Signale einstellbar ist.
Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die beiden Magnetspulen 4 und 6 in Reihe geschaltet und werden mit nur einem Wechselspannungssignal aus dem Frequenzgenerator über den Verstärker 8 angesteuert. Die Wicklungen der beiden Magnetspulen 4 und 6 sind gegensinnig, womit sich die Phasenverschiebung von 90° ergibt.
Im Ausführungsbeispiel der 3 sind die beiden Magnetspulen 4 und 6 parallel geschaltet und werden ebenfalls nur von einem Wechselspannungssignal aus dem Frequenzgenerator 10 über den Verstärker 8 angesteuert. Auch hier sind die Wicklungen der Magnetspulen 4 und 6 gegensinnig gewickelt, woraus sich wiederum die Phasenverschiebung der Magnetfelder, die von den Magnetspulen 4 und 6 erzeugt werden, ergibt.
Bei allen Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 erzeugen somit die Magnetspulen 4 und 6 jeweils ein Magnetfeld, das über die Polstifte 5 bzw. 7 das jeweils zugeordnete Sensorelement 2 bzw. 3 durchflutet, so daß die Sensorelemente 2 und 3 jeweils ein entsprechendes elektrisches Signal abgeben. Durch den Phasenversatz der Magnetspulen haben auch die Magnetfelder einen entsprechenden Phasenversatz und somit auch die Ausgangssignale der Sensorelemente 2 und 3. Damit kann eine mechanische Bewegung eines an den Sensorelementen 2 und 3 vorbeilaufenden Polrades simuliert werden, da ein solches Polrad ebenfalls durch abwechselnd angeordnete Zähne und Lücken ein Wechselmagnetfeld in den Sensorelementen erzeugt, welches aufgrund des Abstandes zwischen den Sensorelementen 2 und 3 an diesen Signale auslöst, die ebenfalls einen Phasenversatz haben. In Abhängigkeit davon, ob die Phase des Signals am Sensorelement 2 gegenüber der des Signals des Sensorelementes 3 voreilt oder nacheilt, kann man auch die Bewegungsrichtung erkennen. Entsprechendes kann auch durch die Ansteuerung der Magnetspulen 4 und 6 mit entsprechender Phasenlage simuliert werden.
Zusammenfassend kann man mit der Prüf- und Simulationsschaltung nach der Erfindung Magnetsensorelemente ohne bewegtes Teil auf ihre Funktionsfähigkeit prüfen.

Claims

Prüf- und Simulationsschaltung für Magnetsensoren mit einem Magnetfeldsensor, der mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente (2, 3) aufweist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, mit mindestens zwei Magnetspulen (4, 6), die den Magnetfeldsensorelementen (2, 3) gegenüberliegend angeordnet sind und mit einem Frequenzgenerator (10), der die Magnetspulen (4, 6) mit einem Wechselspannungssignal erregt, wobei von den Magnetspulen (4, 6) erzeugte Magnetfelder dadurch gegeneinander phasenversetzt sind, daß die Wicklungen der Magnetspulen (4, 6) gegensinnig gewickelt sind.
Prüf- und Simulationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (4, 6) parallel geschaltet sind.
Prüf- und Simulationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (4, 6) in Reihe geschaltet sind.
Prüf- und Simulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungssignal ein Sinussignal, ein Dreieckssignal, eine Sägezahnsignal oder ein Rechtecksignal ist.
Prüf- und Simulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (4, 6) in demselben Abstand zueinander angeordnet sind, in welchem die Magnetsensorelemente (2, 3) zueinander angeordnet sind.
Prüf- und Simulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (4, 6) mit einem einzigen Wechselspannungssignal des Frequenzgenerators (10) erregt werden.