DE102008056700A1

DE102008056700A1 - Drehzahlsensor zum Ermitteln von "langsamen (Nulldrehzahl) und schnellen" Drehzahlen sowie zur gleichzeitigen Ermittlung der Drehrichtung

Info

Publication number: DE102008056700A1
Application number: DE102008056700A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schunk; Matthias Trescher
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: US20100117628A1; DE102008056700B4; US8330451B2

Abstract

Mit dem erfindungsgemäßen induktiven Sensor erfolgt die Messung eines niedrigeren und eines höheren Drehzahlbereichs. Zur Bestimmung der Drehzahl wird eine Sensoreinheit, welche einen Impulsgeber, eine Senderseite und eine Empfangsseite aufweist, verwendet, wobei die Senderseite eine mit einem Oszillator verbundene Senderspule beinhaltet und die Empfangsseite durch zwei Empfangsspulen gekennzeichnet ist. Das Signal, welches ausgehend von den beiden Empfangsspulen mittels jeweiliger Signalpfade vtungen weitergeleitet. Über weitere jeweils zwei Signalpfade für niedrigere und höhere Drehzahlen wird dann das aufbereitete Signal einem Logikbauteil zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlsensor und dessen Anordnung zur Messung von langsamen Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich und schnellen Drehzahlen in einem hohen Drehzahlbereich mit einer hohen Messgenauigkeit.
Um die Drehzahl zu messen, werden im Stand der Technik verschiedene Systeme angewendet. So ist beispielsweise in der DE 196 44 744 C2 der Einsatz von Halleffektsensoren beschrieben. Die Vorteile dieser Sensorelemente liegen zum Teil am günstigen Erwerb, dem Anwendungsbereich bei hohen Temperaturen und der genauen Drehzahlerfassung.
Ein weiteres Sensorelement stellt der MR (magnetoresistive) Sensor gemäß DE 10 2005 029 764 A1 dar, welcher für die Erfassung von Variationen eines Magnetfelds geeignet ist. Ebenso häufig, wie die obig genannten Sensoreinheiten, kommen zur Messung von Drehzahlen induktive Sensorelemente zum Einsatz. Hierbei kann sich es um Wegsensoren zur Bestimmung einer Position wie zum Beispiel eines Kolbens, bekannt aus der DE 101 30 572 A1 , handeln, wie auch um die Messung von Drehzahlen eines rotierenden Bauteils, worum es in der DE 10 2007 033 745 geht.
Nach dem Stand der Technik basieren induktive Wegerkennungen auf einer Anordnung von zwei oder mehr Spulen, anhand derer eine Auswertung der Drehzahlen mittels einer Frequenzänderung erfolgt. So soll in der DE 101 30 572 A1 durch einen Oszillator mit 8 bzw. 16 Spulen, die verbunden sind mit einem oder mehr Multiplexern, einem Umschalter und einem Kondensator, die Auswertung der mittels ihre Frequenzänderung einer jeden Spule garantiert werden, so dass keine Messsignalverfälschungen auftreten. Anhand der Anordnung gemäß DE 101 30 572 A1 wird ersichtlich, dass es sich bei den Bauteilen eines induktiven Sensors nach dem Stand der Technik zum Teil um komplexe Anordnung handelt, die einen hohen Schaltungsaufwand zur Auswertung der Frequenz erfordern.
Einen anderen Aspekt des Standes der Technik zeigt die ältere Anmeldung DE 10 2007 033 745 . Bei diesem induktiven Sensor handelt es sich um eine Anordnung von zwei Spulen, welche beide mit Oszillatoren verbunden sind und aufgrund ihrer engen Anordnung zueinander durch einen Multiplexer so angesteuert werden, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Diese spezielle Anordnung der Spulen ermöglicht einen größeren Abstand zum Impulsrad im Vergleich zu anderen Sensoren des Standes der Technik. Je größer der Abstand zwischen Sensor und Impulsrad realisiert werden kann, bevorzugt werden mehr als 5 bis zu 10 mm, desto leichter kann das Impulsrad als Teil des induktiven Sensors ausgetauscht werden. Dabei muss jedoch garantiert werden, dass trotz des weiten Abstands richtige Signale erfasst werden können.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Probleme des Standes der Technik dadurch zu beseitigen, dass ein induktiver Sensor gleichermaßen hohe und niedrige Drehzahlen messen soll, ohne dabei an Messgenauigkeit zu verlieren, und gleichzeitig eine Bestimmung der Drehrichtung möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, dass der induktive Sensor trotz eines großen Abstands zwischen Sensor und Impulsrad platzsparend angeordnet ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 12 zu entnehmen.
Ein Signal, welches durch das Zusammenwirken eines Impulsrads mit einer Sensoreinheit entsteht, wird innerhalb der Sensoreinheit an zwei Empfangsspulen auftreten. Ausgehend hiervon wird jedes Signal, welches an dieser Stelle sowohl aus einer hohen als auch einer niedrigen Drehzahl bestehen kann, weiter an jeweils zwei Signalaufbereitungen geleitet, die jedes Signal getrennt voneinander auf zwei verschiedene Arten aufbereiten und anschließend einem Logikbauteil zuführen.
Der Vorteil der Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein und dasselbe Gerät zur Messung sowohl niedriger und als auch hoher Drehzahlen in gleichem Maße verwendet werden kann. Dabei erfolgt die Signalaufbereitung bzw. Frequenzauswertung auf zwei unterschiedliche Weisen.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist vier in ihrer Funktion unterschiedliche Bauteile auf: den Impulsgeber, die Sensoreinheit, die Signalaufbereitungen und das Logikbauteil.
Die Aufgabe eines Impulsgebers liegt darin, den induktiven Sensor periodisch zu beeinflussen. Bei dem Impulsgeber handelt es sich gemäß der vorliegenden Erfindung um ein bewegtes Bau teil. Bevorzugt kommen Zahnräder zum Einsatz. Eine weitere denkbare Ausgestaltung des Impulsgebers liegt in einer periodisch aufgebauten Gitterstruktur.
Ausgehend von dem Impulsgeber entstehen in der Sensoreinheit dann die Signale. Dafür ist vor allem der Einsatz von Spulen ausschlaggebend, die aufgrund einer Änderung ihrer Induktivität Spannungsänderungen oder Frequenzänderungen zusammen mit einem Oszillator erzeugen. Eine Sensoreinheit besteht zumeist aus einer Senderspule und mindestens einer Empfangsspule. Die Sensoreinheit der vorliegenden Erfindung, welche im Bereich des Impulsrads angeordnet ist, besteht aus einer Senderspule, einem Oszillator und zwei Empfangsspulen, wobei das Impulsrad in einem Abstand von etwa 5 mm angeordnet sein kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Impulsrad leicht austauschbar ist. Die Senderspule ist mit dem Oszillator verbunden, während die Empfangsspulen, welche als zwei Planarspulen ausgebildet sind, in Drehrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Mittels der Anregung des Impulsrades ändert sich die Induktivität einer Spule oder die Gegeninduktivität der Spulenanordnung, was wiederum eine Veränderung der Amplitude des Signals bewirkt.
Die Notwendigkeit von zwei Empfangsspulen liegt zum einen in der Redundanz des Signals und zum anderen darin, dass anhand der zwei Empfangsspulen die Drehrichtung des Impulsrads bestimmt wird, ohne dass das Impulsrad codiert sein muss. Zusätzlich bieten die zueinander versetzten Empfangsspulen auch eine große wirksame Spulenfläche. Die Empfangsspulen gemäß der vorliegenden Erfindung sind aus Draht gebogen oder ausgestanzt oder auf der Vorder- und Rückseite einer Leiterplatte aufgedruckt. Dies entspricht einer Multilayertechnik.
Anschließend an die Erzeugung eines Signals in der Sensoreinheit muss dieses aufbereitet werden. Bekannte Sensoreinheiten arbeiten stets in einem vorgegebenen Drehzahlbereich, wobei Schwellwerte existieren, mit denen das Signal verglichen wird. Je nach Über- bzw. Unterschreitung des Schwellwerts wird das Signal entsprechend weiter verarbeitet. Da in der Vorrichtung gemäß der Erfindung das Signal auf zwei verschiedene Arten aufbereitet wird und das Signal von jeweils zwei Empfangsspulen weitergeleitet wird, befinden sich in der Vorrichtung insgesamt vier Signalaufbereitungen. Jeweils zwei dieser Signalaufbereitungen arbeiten nach einem gleichen Prinzip, so dass ein Abgleich der aufbereiteten Werte des Signals erfolgen kann.
Nachdem das Signal in der Signalaufbereitung gefiltert worden ist, wird es an ein Bauteil weitergeleitet, das dafür sorgt, dass eines der in Frage kommenden Signale letztendlich als Ausgangssignal der Schnittstelle zugeführt wird. In der vorliegenden Erfindung wird dieses Bauteil als Logikbauteil bezeichnet, wobei es sich um einen Mikrocontroller, ein ASIC mit integriertem DSP oder einen Gate Array handeln kann. In diesem Vorgang wird durch Vergleich der zwei Signale bestimmt, welches Signal der Schnittstelle als Ausgangsgröße zugeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand von zwei Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigt:
1: einen induktiven Sensor im Blockschaltbild
2: eine Sensoreinheit im Blockschaltbild
1 zeigt einen induktiven Sensor 1. Die Erzeugung eines Ausgangssignals beginnt mit dem Impulsgeber 2, der im Bereich der Sensoreinheit 3, welche wiederum in 2 näher beschrieben wird, angeordnet ist. Während zwischen dem Impulsgeber 2 und der berührungslosen Sensoreinheit 3 keine Kabelverbindung besteht, führen zwei Signalpfade 5 aus der Sensoreinheit 3 hinaus. Die beiden Signalpfade 5 leiten die Signale zweier Empfangsspulen 8, 9 weiter. Bevor die beiden Signalpfade 5 Signalaufbereitungen 4a, 4b für niedrige 4a und für hohe Drehzahlen 4b erreichen, werden die Signalpfade jeweils aufgespalten, so dass jeweils die beiden Signale kommend aus der Sensoreinheit 3 nach einer Verzweigung in vier Signalpfaden, wobei zwei Signalpfade für niedrige Drehzahlen 5a und zwei Signalpfade für hohe Drehzahlen 5b vorhanden sind, den jeweiligen Signalaufbereitungen für niedrige Drehzahlen 4a und für hohe Drehzahlen 4b zugeführt. Nachdem die Signale in den vier Signalaufbereitungen 4a, 4b, zwei für jede Empfangsspule, aufbereitet wurden, werden sie wiederum in vier Signalpfaden an das Logikbauteil 6 weitergeleitet. Das Logikbauteil 6 entscheidet dann aus den zugeführten und aufbereiteten Signalen, welches letztendlich an eine Schnittstelle 11 abgegeben wird.
2 zeigt die in 1 dargestellte Sensoreinheit 3 detaillierter. In der Sensoreinheit 3 befinden sich eine Senderspule 7 und zwei Empfangsspulen 8, 9. Dabei ist die Senderspule 7 mit einem Oszillator 10 verbunden, der eine Oszillatorfrequenz in die Senderspule 3 einspeist. Bei dem Oszillator 10 kann es sich beispielsweise um einen Quarzoszillator handeln, der die gesamte Schaltung mit einer (Träger-)Frequenz betreibt. In der Nähe zu der Senderspule 3 befinden sich die beiden Empfangsspulen 8, 9, welche in Laufrichtung des Impulsgebers 2 versetzt zueinander angeordnet sind.
Die Spulen 7, 8 und 9 kann man sich als Trafo oder Überträger vorstellen, da die Senderspule 7 und die Empfangsspule 8 durch ein Magnetfeld gekoppelt sind. Die Trägerfrequenz des Oszillators 10 wird mit einer Signalstärke oder Amplitude auf die Empfangsspule 8 oder auch 9 übertragen. Diese magnetische Kopplung wird durch jeden sich vorbei bewegenden Zahn des Im pulsgebers 2 beeinflusst. In der Empfangsspule 8 ist eine entsprechende Amplitudenmodulation der Hüllkurve der Trägerfrequenz zu beobachten: je höher die Drehzahl des Impulsgebers 2, umso häufiger die impulsartigen Einbrüche in der Hüllkurve. Diese variable Modulationsfrequenz ist niedriger als die feste Trägerfrequenz. In der Empfangsspule 9 erfolgen die gleichen Effekte.
An der Stelle, an der die zwei Empfangsspulen 8, 9 innerhalb der Sensoreinheit 3 angebracht sind, beginnen die Signalpfade 5, die dann das Signal, wie anhand von 1 bereits beschrieben, an die vier Signalaufbereitungen 4a, 4b weiterleiten.

1: Drucksensor
2: Impulsgeber
3: Sensoreinheit
4a: Signalaufbereitung für niedrige Drehzahlen
4b: Signalaufbereitung für hohe Drehzahlen
5: Signalpfad einer Empfangsspule
5a: Signalpfad für niedrige Drehzahlen
5b: Signalpfad für hohe Drehzahlen
6: Logikbauteil
7: Senderspule
8: Empfangsspule I
9: Empfangsspule II
10: Oszillator
11: Schnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19644744 C2 [0002]
- DE 102005029764 A1 [0003]
- DE 10130572 A1 [0003, 0004, 0004]
- DE 102007033745 [0003, 0005]

Claims

Induktives Sensorsystem (1) zur Messung von Drehzahlen eines niedrigeren und eines höheren Drehzahlbereichs, aufweisend eine Sensoreinheit, welche eine Senderspule (7) aufweisende Senderseite und eine Empfangsseite aufweist, (3) und einen Impulsgeber (2), welcher im Bereich der Sensoreinheit (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderspule (7) mit einem Oszillator (10) verbunden ist und die Empfangsseite zwei Empfangsspulen (8, 9) aufweist, wobei deren jeweiliges Signal jeweils zwei Signalaufbereitungen (4a, 4b) zugeführt wird, welche jeweils das jeweilige Signal über einen ersten Signalpfad für niedrigere Drehzahlen (5a) und über einen zweiten Signalpfad für höhere Drehzahlen (5b) an ein Logikbauteil (6) weiterleitet.
Induktives Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der beiden Empfangsspulen (8, 9) so getroffen ist, dass die Drehrichtung des Impulsgebers bestimmbar ist.
Induktives Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Empfangsspulen (8, 9) um zwei Planarspulen handelt, welche in Drehrichtung räumlich versetzt zueinander angeordnet sind.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Impulsgeber (2) um ein Zahnrad handelt.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Logikbauteil (6) um ein Mikrocontroller, ein ASIC mit integriertem DSP oder ein Gate Array handelt.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikbauteil (6) aus einem ihm zugeführten Signal eine Ausgangsgröße berechnet und mit einem Schwellwert vergleicht.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Abstand der Sensoreinheit (3) vom Impulsgeber (2), der bevorzugt zwischen 0 und 10 mm liegt.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (2) austauschbar ist.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (2) kein magnetischer Betätiger ist.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Impulsgeber (2) periodisch wie ein Gitter aufgebaut ist.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (8, 9) auf einer Leiterplatte aufgedruckt sind, gegebenenfalls in Multilayertechnik.
Induktives Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (8, 9) ausgestanzt oder aus Draht gebogen sind.