DE102010032061A1 - Device for measuring a rotation angle and / or a torque - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Drehmoment- und Winkelmessung mit verbesserter Genauigkeit angeben. Die Vorrichtung umfasst dabei Magnet-Sensoren, die rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegt sind. Dabei können Hall-Effekt Sensoren oder Sensoren auf Grundlage des Magnetowiderstands-Effekts verwendet werden, deren Detektionssignal durch Veränderung der Magnetfeldrichtung und -dichte auf Grund der Bewegung einer Zielscheibe mit magnetischen Zielen vor dem Sensor moduliert wird. Zur Korrektur von Signaluntergrund und -amplitude werden dabei zwei Signale eines Sensors kombiniert, die jeweils die Drehung der Zielscheibe detektieren. Zur Bestimmung des auf eine Achse wirkenden Drehmoments wird jeweils ein zweiter Sensor zur Detektion des Drehwinkels einer zweiten Zielscheibe bereitgestellt und das Drehmoment direkt aus der Winkeldifferenz der ersten und zweiten Zielscheibe aus den korrigierten Detektionssignalen ermittelt.A device for torque and angle measurement with improved accuracy will be specified. The device in this case comprises magnetic sensors which are imposed on the back with a magnetic bias. Hall effect sensors or sensors based on the magnetoresistance effect can be used, the detection signal of which is modulated by changing the magnetic field direction and density due to the movement of a target with magnetic targets in front of the sensor. To correct the signal background and amplitude, two signals from a sensor are combined, each of which detects the rotation of the target. To determine the torque acting on an axis, a second sensor for detecting the angle of rotation of a second target is provided and the torque is determined directly from the angle difference of the first and second target from the corrected detection signals.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Messung des Drehwinkels eines drehbaren Körpers und/oder des auf ihn wirkenden Drehmoments.The present invention relates to devices for measuring the angle of rotation of a rotatable body and / or the torque acting on it.
Solche Vorrichtungen finden insbesondere in elektrischen Servolenkungen im Automobilbereich Anwendung, die häufig eingesetzt werden, um den Fahrer beim Lenken zu unterstützen.Such devices find particular application in automotive electric power steering systems, which are often used to assist the driver in steering.
In allgemein bekannten elektrischen Servolenkungen (eng. „Electric Power Steering, EPS” und eng. ”Electric Power Assisted Steering, EPAS”) stellt eine elektrisch-mechanische Servolenkung eine elektrische Hilfskraftlenkung bereit, die die bei der Lenkbewegung vom Fahrer auf das Lenkrad des Fahrzeuges ausgeübte Kraft durch einen Elektromotor verstärkt.In well-known electric power steering systems (eng. "Electric Power Steering, EPS" and eng., "Electric Power Assisted Steering, EPAS"), an electric-mechanical power steering system provides an electric power steering system that controls the steering movement from the driver to the steering wheel of the vehicle exerted force exerted by an electric motor.
Die Stärke der elektrischen Hilfskraftlenkung hängt von der Lenkbewegung ab, insbesondere vom Drehwinkel und/oder dem Drehmoment.The strength of the electric power steering depends on the steering movement, in particular on the angle of rotation and / or the torque.
Dieser Winkel muss mit guter Genauigkeit gemessen werden, nicht nur um präzise die nötige Hilfslenkkraft bereitzustellen, sondern auch aus Gründen der Sicherheit.This angle must be measured with good accuracy, not only to provide the necessary auxiliary steering force with precision, but also for safety reasons.
Ein allgemein verwendeter Mechanismus zur Bestimmung des an einem Lenkrad wirkenden Drehmoments ist die Bestimmung des Verdrehwinkels eines „flexiblen” Torsionsstabs mit bekannter Torsionssteifigkeit, der eine Eingabewelle mit einer Ausgabewelle verbindet. Die Eingabewelle ist mit dem Lenkrad des Fahrzeuges verbunden und die Ausgabewelle mit der Zahnstange des Fahrzeuges. Der Torsionsstab wandelt das an dem Lenkrad wirkende Drehmoment in einen Verdrehwinkel von +–5°Grad um.One commonly used mechanism for determining the torque acting on a steering wheel is to determine the twist angle of a "flexible" torsion bar of known torsional stiffness connecting an input shaft to an output shaft. The input shaft is connected to the steering wheel of the vehicle and the output shaft to the rack of the vehicle. The torsion bar converts the torque acting on the steering wheel into a twist angle of + -5 ° degrees.
Durch Messen des Verdrehwinkels als Differenz der Winkel der Eingabewelle und der Ausgabewelle kann mit der bekannten Torsionssteifigkeit das Drehmoment bestimmt werden.By measuring the angle of rotation as the difference of the angles of the input shaft and the output shaft, the torque can be determined with the known torsional rigidity.
Aus der
Aus der Differenz zwischen den Drehwinkeln der beiden Detektionsräder, dem sogenannten Differenzwinkel, lässt sich somit auch das von dem drehbaren Körper übertragene Drehmoment berechnen.From the difference between the rotational angles of the two detection wheels, the so-called differential angle, thus also the torque transmitted by the rotatable body can be calculated.
Eine solche Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass Detektionsräder mit komplexen Codespuren benötigt werden, um ein hohe Winkelauflösung zu erreichen. Auch ist die Einbindung einer solchen Vorrichtung in eine Lenkwelle schwierig und muss vor dem Zusammenbau dieser erfolgen. Diese Nachteile führen zu erhöhter Komplexität und Kosten der Herstellung und Montage solcher Vorrichtungen.However, such a device has the disadvantage that detection wheels with complex code tracks are needed to achieve a high angular resolution. Also, the integration of such a device in a steering shaft is difficult and must be done before assembling this. These disadvantages lead to increased complexity and cost of manufacture and assembly of such devices.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels und des Drehmoments unter Verwendung von zwei einfacheren Detektionsrädern ist aus der
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehmoment- und Drehwinkelsensor anzugeben, der besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist, und darüber hinaus eine verbesserte Genauigkeit aufweist.The aim of the present invention is to provide a torque and rotation angle sensor, which is particularly simple and inexpensive to produce, and also has an improved accuracy.
Dieses wird in der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von Magnetsensoren erreicht, die rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegt sind. Dabei können Hall-Effekt Sensoren oder Sensoren auf Grundlage des Magnetowiderstands-Effekts verwendet werden, deren Detektionssignal durch Veränderung der Magnetfeldrichtung und -dichte auf Grund der Bewegung einer Zielscheibe mit magnetischen Zielen vor dem Sensor moduliert wird.This is achieved in the present invention by use of magnetic sensors which are rearwardly imposed with a magnetic bias. In this case, Hall effect sensors or sensors based on the magnetoresistance effect can be used whose detection signal Change in the magnetic field direction and density due to the movement of a target with magnetic targets in front of the sensor is modulated.
Solche Sensoren lassen sich leicht zum Beispiel in einem Lenksystem für ein Fahrzeug integrieren. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Einbaumöglichkeit der Zielscheibe in ein solches System. Dabei kann die Zielscheibe insbesondere auch während des Herstellungsprozesses integral mit einer Welle gefertigt werden.Such sensors can be easily integrated, for example, in a steering system for a vehicle. Another advantage is the easy installation option of the target in such a system. In this case, the target can in particular be manufactured integrally with a shaft during the manufacturing process.
Jedoch kann die Genauigkeit solcher Sensoren stark von der Magnetfeldstärke, dem Abstand zu der Zielscheibe, der Temperatur, und anderen Faktoren beeinflusst werden. Weiter ist der Signaluntergrund im Vergleich zur Amplitude erheblich, so dass eine Signalkorrektur zur Beseitigung des Einflusses dieser Effekte notwendig ist.However, the accuracy of such sensors can be greatly influenced by the magnetic field strength, the distance to the target, the temperature, and other factors. Furthermore, the signal background is significant compared to the amplitude, so that signal correction is necessary to eliminate the influence of these effects.
Die Lösung dieses Problems in der vorliegenden Erfindung beruht auf der Kombination zweier Signale eines rückseitig mit einer magnetischen Vorspannung auferlegten Drehwinkelsensors, die jeweils der Drehung der Zielscheibe entsprechen.The solution to this problem in the present invention is based on the combination of two signals of a rotationally biased rear magnetic sensor, each corresponding to the rotation of the target.
Mittels Signalverarbeitung wird eine Untergrundkomponente in jedem Detektionssignal ermittelt und ein kompensiertes Detektionssignal ausgeben.By means of signal processing, a background component is determined in each detection signal and a compensated detection signal is output.
Im Falle eines Hall-Sensors kann dabei ein 3D-Hall-Sensor eingesetzt werden und der Drehwinkel der Zielscheibe unter Verwendung der Detektion von den orthogonalen Komponenten Bz und Bx der magnetischen Flussdichte ermittelt werden. Im Falle einer Detektion auf Grund des Magnetowiderstands-Effekts wird der Drehwinkelsensor durch ein Sensorenpaar gebildet, welches die beiden nötigen Signale ausgibt. Für die Anwendung zur Bestimmung des auf eine Achse wirkenden Drehmoments wird jeweils ein zweiter Hall-Sensor bzw. ein zweites Sensorenpaar bei Detektion auf Grund des Magnetowiderstands-Effekts verwendet, welche den Drehwinkel einer zweiten Zielscheibe detektieren. Dabei ist die erste Zielscheibe an der oben angesprochenen Achse befestigt, welche über ein Torsionselement mit bekannter Torsionssteifigkeit mit der Achse der zweiten Zielscheibe gekoppelt ist. Aus dem Differenzwinkel zwischen der ersten und zweiten Zielscheibe kann dann das Drehmoment direkt aus den korrigierten Detektionssignalen ermittelt werden.In the case of a Hall sensor, a 3D Hall sensor can be used and the angle of rotation of the target can be determined using the detection of the orthogonal components B z and B x of the magnetic flux density. In the case of detection due to the magnetoresistance effect of the rotation angle sensor is formed by a pair of sensors, which outputs the two necessary signals. For the application for determining the torque acting on an axis, in each case a second Hall sensor or a second sensor pair is used in detection on the basis of the magnetoresistance effect, which detect the angle of rotation of a second target. In this case, the first target is fixed to the above-mentioned axis, which is coupled via a torsion element with known torsional stiffness with the axis of the second target. From the difference angle between the first and second target then the torque can be determined directly from the corrected detection signals.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.
Die Vorrichtung weist einen magnetischen Sensor
Das Drehteil kann koaxial an einer Achse
In der dargestellten Ausführungsform ist das Drehteil eine Zielscheibe
In dem Fall, dass die Zielscheibe
Zur Befestigung an der drehbaren Achse oder Welle umfasst die Zielscheibe
Der magnetische Sensor
Das das Vormagnetfeld erzeugende Element
Der magnetische Sensor
Alternativ ist auch eine Anordnung denkbar, bei welcher der magnetische Sensor sich mit dem Drehteil bewegt, während magnetische Ziele ortsfest um das Drehteil herum vorgesehen sind.Alternatively, an arrangement is conceivable in which the magnetic sensor moves with the rotary part, while magnetic targets are provided stationary around the rotary part.
Wenn die magnetischen Ziele
Vorzugsweise erzeugt das das Vormagnetfeld erzeugende Element
In der ersten Ausführungsform basiert das Messprinzip des magnetischen Sensors
Der verwendete magnetische Sensor
In der vorliegenden Ausführungsform wird vorzugsweise ein sogenannter dreidimensionaler (3D) Hall-Sensor verwendet, der im Gegensatz zu üblichen Hall-Sensoren, mit denen sich mit einem Hall-Element nur Messungen der magnetischen Flussdichte in einer Richtung (Z-Achse) durchführen lassen, auch eine Erfassung in einer zusätzlichen orthogonalen Ebene (X-Y-Ebene) ermöglicht. In the present embodiment, a so-called three-dimensional (3D) Hall sensor is preferably used, which in contrast to conventional Hall sensors, with which it is only possible to carry out measurements of the magnetic flux density in one direction (Z axis) with a Hall element, also allows detection in an additional orthogonal plane (XY plane).
Im unteren Teil der
Die vertikalen gestrichelten Linien stellen Werte der Komponenten BX und BZ für die im oberen Teil der
Dabei sind die Maximalwerte von BZ von 1 bis 6 durchnummeriert, welche erfasst werden, wenn der jeweilige Zahn in Wesentlichen gegenüber dem Sensor
Anderseits wird der Minimalwert der BZ Komponente erreicht wenn eine Lücke
Die beiden Komponenten der magnetischen Flussdichte, BZ und BX, werden im 3D-Hall Sensor
Bei einem Zahn-/Lückenprofil mit N gleichmäßig beabstandeten Zähnen
Für einen Absolutdrehwinkel kleiner als 360°/N, wird keine Maxima seit der Nullstellung detektiert (n = 0) und der Absolutdrehwinkel ergibt sich einfach als Ω = α0/N.For an absolute rotation angle smaller than 360 ° / N, no maxima since the zero position is detected (n = 0) and the absolute rotation angle simply results as Ω = α 0 / N.
Die Winkelgenauigkeit derartiger Sinus/Kosinus-Sensor wird jedoch durch den magnetischen Offset-Effekt begrenzt.However, the angular accuracy of such sine / cosine sensor is limited by the magnetic offset effect.
Wenn standardmäßig ein Permanentmagnet
Unter Berücksichtigung des durch die magnetische Vorspannung bewirkten Offset-Effekts ergeben sich die beiden Komponenten BZ und BX, beziehungsweise die jeweiligen Detektionssignale UZ und UX als:
Das Auftreten eines derartigen Offsets in den beiden Detektionssignalen verfälscht tatsächlich die durchgeführten Drehwinkelmessungen, die kompensierte werden müssen.The occurrence of such an offset in the two detection signals actually falsifies the rotational angle measurements that have to be made.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache Bestimmung der Amplitude und des Offsetwerts der jeweiligen Detektionssignale, so dass auf der Grundlage der bestimmten Werte eine bereinigte Drehwinkelberechnung durchführbar ist.The present invention enables a simple determination of the amplitude and the offset value of the respective detection signals, so that on the basis of the determined values an adjusted rotation angle calculation is feasible.
Die Amplitude und Offset der jeweiligen Detektionssignale können aus Maximal- und Minimalwerten des Detektionssignals wie folgt bestimmt werden.The amplitude and offset of the respective detection signals can be determined from maximum and minimum values of the detection signal as follows.
Zur Berechnung der Amplituden ΔBX und ΔBZ werden Maximalwert und Minimalwert der entsprechenden Detektionssignale der jeweiligen Komponenten BX und BZ ermittelt und die Amplituden dann als Differenz von den ermittelten Maximal- und Minimalwerten für die jeweiligen Komponenten berechnet. Der Offsetwert BXoffset bzw. BZoffset errechnet sich jeweils als die Hälfte der Summe aus Maximalwert und Minimalwert.To calculate the amplitudes ΔB X and ΔB Z , the maximum value and the minimum value of the respective detection signals of the respective components B X and B Z are determined and the amplitudes are then calculated as the difference between the determined maximum and minimum values for the respective components. The offset value B Xoffset or B Zoffset is calculated in each case as half of the sum of maximum value and minimum value.
Die Detektionssignale können dann direkt nach einer bestimmten Anzahl von Signalperioden kompensiert werden, und die sin(α) und cos(α) Messwerte durch die korrigierten Detektionssignale des 3D-Hall-Sensor
Auf der Grundlage derartig korrigierter Messwerte kann der mechanische Absolutdrehwinkel Ω = α/N beispielsweise durch den Arkustangens des Verhältnisses der so erhaltenen Sinus- und Kosinussignale berechnet werden. Für einen Drehwinkel kleiner als 360°/N ist nur maximal ein Ziel
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der magnetische Offset des magnetischen Sensors in einfacher Weise während des Betriebes berechnet und kompensiert werden, welches eine Erhöhung der Winkelgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere erlaubt das dargestellte Verfahren einen automatischen Offsetabgleich bei dynamischen Drehbewegungen.By means of the method according to the invention, the magnetic offset of the magnetic sensor can be calculated and compensated in a simple manner during operation, which enables an increase in the angular accuracy. In particular, the illustrated method allows automatic offset adjustment in dynamic rotational movements.
Zur Messung des Drehmomentes wird, wie in
Wie der erste magnetische Sensor
Aus der Differenz des Drehwinkels Ω1 der ersten Zielscheibe
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Drehwinkeldifferenz über die Detektionssignale des ersten und des zweiten 3D-Hall-Sensors
Wenn die erste Zielscheibe
Die Verdrehung des Torsionselements ist dem auf die ersten Zielscheibe
Vorzugsweise haben in dieser Ausführungsform die beiden 3D-Hall-Sensoren
Die Amplituden und Offsets der jeweiligen Detektionssignale werden durch die oben beschriebenen Verfahren bestimmt.The amplitudes and offsets of the respective detection signals are determined by the methods described above.
Wie oben beschrieben, können die sin(α) und cos(α) Werte durch die korrigierten Detektionssignale BZ1,Korr und BX1,Korr des ersten 3D-Hall-Sensors
Die Werte sin(α + Δα) und cos(α + Δα) werden mittels der korrigierten Detektionssignale BZ2,Korr und BX2,Korr des zweiten 3D-Hall-Sensors
Der Differenzwinkel Δα kann dann durch die bekannte Sinus-Kosinus Formel berechnet werden:
Für Differenzwinkelwerte Δα kleiner als 4°, gilt sin(–Δα) ≈ –Δα. Der relative Fehler im Winkelintervall (–4,4° bis +4,4°) liegt nur bei maximal 0,1%.For differential angle values Δα less than 4 °, sin (-Δα) ≈ -Δα applies. The relative error in the angular interval (-4.4 ° to + 4.4 °) is only 0.1% maximum.
Der Differenzwinkel Δα wird dann wie folgt bestimmt: oder kann direkt aus den korrigierten Detektionssignalen BX1,korr, BZ1,korr, BX2,korr und BZ2,korr durch die folgende Formel berechnet werden:
Diese Auswertungsmethode ist sehr empfindlich auf kleinste Winkeldifferenzen.This evaluation method is very sensitive to the smallest angle differences.
Der Differenzwinkel kann durch analoge elektronische Operationen (Multiplikation, Subtraktion, Komparation) bestimmt werden, wie in
Zur Durchführung der oben beschriebenen Operationen umfasst die Vorrichtung zur Messung des Drehmoments weiter eine Prozesseinheit
Minimal- und Maximalwert werden auch einer jeweiligen Amplitudenberechnungseinheit übergeben, welche die Amplituden des jeweiligen Signals wie weiter oben beschrieben berechnet.Minimum and maximum values are also passed to a respective amplitude calculation unit, which calculates the amplitudes of the respective signal as described above.
Das Offset-korrigierte Signal wird von der Subtraktionseinheit
Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale wird entsprechend für alle vier Detektionssignale BZ1, BX1, BZ2 und BX2 durchgeführt.The calculation of the corrected detection signals is carried out correspondingly for all four detection signals B Z1 , B X1 , B Z2 and B X2 .
Die resultierenden korrigierten Detektionssignale BZ1korr und BX2korr, bzw. BZ2korr und BX1korr dann werden in einer entsprechenden Multiplikationseinheit
In einer weiteren Subtraktionseinheit
Die Signalverarbeitung kann auch auf digitaler Ebene in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt werden.The signal processing can also be performed on a digital level in a digital signal processor (DSP).
In der zweiten Ausführungsform basiert das Messprinzip der magnetischen Sensoren auf dem bekannten Magnetowiderstand-Effekt.In the second embodiment, the measuring principle of the magnetic sensors based on the known magnetoresistance effect.
In dieser Ausführungsform können vorzugsweise sogenannte AMR, GMR oder TMR-Sensoren verwendet werden. Im weiteren werden diese Sensoren der Einfachheit halber als XMR-Sensoren bezeichnet.In this embodiment, so-called AMR, GMR or TMR sensors may preferably be used. For the sake of simplicity, these sensors are referred to below as XMR sensors.
Die magnetischen Sensoren sind so ausgebildet, dass sie Änderungen der magnetischen Flussdichte parallel zu der magnetisch empfindlichen Oberfläche des Sensors (X-Achse) erfassen können und ein entsprechendes Detektionssignal ausgeben.The magnetic sensors are designed so that they can detect changes in the magnetic flux density parallel to the magnetically sensitive surface of the sensor (X-axis) and output a corresponding detection signal.
Um den Drehwinkel der Zielscheibe
Wie in
Jedem XMR-Sensor R1, L1 wird eine magnetische Vorspannung auferlegt. Dazu wird wie in der ersten Ausführungsform ein ein Magnetfeld erzeugendes Element rückseitig an den Sensor angeordnet. Dieses Element kann zum Beispiel ein Permanentmagnet
Durch die Drehbewegung des Zahn-/Lückenprofils vor den XMR-Sensoren R1, L1 kommt es auf Grund der magnetischen Vorspannung zu einer periodischen Änderung der magnetischen Flussdichte BX in tangentialer Richtung der Drehbewegung (X-Achse) als Funktion des Drehwinkels, die von den XMR-Sensoren R1, L1 erfasst werden können.Due to the magnetic bias, the rotational movement of the tooth / gap profile in front of the XMR sensors R1, L1 results in a periodic change in the magnetic flux density B X in the tangential direction of the rotational movement (X axis) as a function of the angle of rotation XMR sensors R1, L1 can be detected.
Der obere Teil der
Zur Veranschaulichung der Entstehung des Sensorsignals sind die Zähne wie in
Wie in der ersten Ausführungsform ergibt sich für jeden XMR-Sensor R1, L1 eine Signalform gemäß einer Kreiswinkelfunktion. Dabei wird der Abstand zwischen den XMR-Sensoren erfindungsgemäß so gewählt, dass sich zwischen dem Detektionssignal als Funktion des relativen Drehwinkels α des ersten XMR-Sensors R1 und des zweiten XMR-Sensors L1 eine bestimmte Phasendifferenz ergibt. Zur Vereinfachung der Bestimmung des Drehwinkels α werden hier die beiden XMR-Sensoren so beabstandet, dass die Phasendifferenz zwischen den Detektionssignalen bei 90° liegt.As in the first embodiment, a waveform corresponding to a circular angle function is obtained for each XMR sensor R1, L1. According to the invention, the distance between the XMR sensors is selected such that a specific phase difference results between the detection signal as a function of the relative rotational angle α of the first XMR sensor R1 and the second XMR sensor L1. To simplify the determination of the rotation angle α, the two XMR sensors are here spaced such that the phase difference between the detection signals is at 90 °.
Es ergeben sich daher zwei Detektionssignale, die proportional zu den folgenden gemessenen Komponenten BX der magnetischen Flussdichte sind:
Der erste XMR-Sensor R1 und der zweite XMR-Sensor L1 können weiter so gewählt werden, dass sie eine identische Empfindlichkeit aufweisen.The first XMR sensor R1 and the second XMR sensor L1 can be further selected to have identical sensitivity.
Bei der oben beschriebenen Wahl der XMR-Sensoren und deren Positionierung sind sowohl Untergrund BXoffset als auch die Amplitude ΔBXL und ΔBXR für beide Detektionssignale als identisch anzusehen.In the above-described choice of XMR sensors and their positioning, both background B Xoffset and the amplitude ΔB XL and ΔB XR are to be regarded as identical for both detection signals.
Die Drehwinkeldifferenz Δα zwischen der ersten Zielscheibe
Der mechanische Drehwinkel
Die erste und zweite Zielscheibe
Der relative Drehwinkel α + Δα der zweiten Zielscheibe
In dem Ausführungsbeispiel haben alle XMR-Sensoren ähnliche Eigenschaften, insbesondere bzgl. ihrer Empfindlichkeit und Beabstandung von den jeweiligen Zielscheiben. Deshalb können die Amplituden und Offsetwerte der Detektionssignale für die jeweiligen XMR-Sensoren als gleich angesehen werden.In the exemplary embodiment, all XMR sensors have similar properties, in particular with respect to their sensitivity and spacing from the respective targets. Therefore, the amplitudes and offset values of the detection signals for the respective XMR sensors can be considered equal.
Die Amplituden und Offsets der jeweiligen Detektionssignale werden durch die oben beschriebenen Verfahren bestimmt, und die Sinus- und Kosinuswerte der Drehwinkel α und α + Δα durch die korrigierten Detektionssignale berechnet.The amplitudes and offsets of the respective detection signals are determined by the methods described above, and the sine and cosine values of the rotation angles α and α + Δα are calculated by the corrected detection signals.
Die korrigierten Detektionssignale BXL1,korr und BXR1,korr des XMR-Sensors L1 und des XMR-Sensors R1 werden dann wie folgt berechnet: The corrected detection signals B XL1, korr and B XR1, corr of the XMR sensor L1 and the XMR sensor R1 are then calculated as follows:
Die korrigierten Detektionssignale BXL2,korr und BXR2,korr des XMR-Sensors L2 und des XMR-Sensors R2 werden wie folgt berechnet: The corrected detection signals B XL2, korr and B XR2, corr of the XMR sensor L2 and the XMR sensor R2 are calculated as follows:
Nach der Sinus-Kosinus Formel sin[α – (α + Δα)] für kleine Winkel, kann das Differenzwinkel wie folgt berechnet werden: oder kann direkt hinsichtlich der korrigierten Detektionssignale durch die folgende Formel berechnet wird:
Analog zur ersten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Messung des Drehmoments in dieser Ausführungsform eine Prozesseinheit zur Durchführung der oben beschriebenen Operationen.Analogously to the first embodiment, the torque measuring device in this embodiment comprises a process unit for performing the above-described operations.
Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale und Drehwinkeldifferenz verläuft dann entsprechend durch analoge elektronische Operationen (Multiplikation, Subtraktion, Komparation), wie für die erste Ausführungsform oben diskutiert. Die Signalverarbeitung kann auch auf digitaler Ebene in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt werden.The calculation of the corrected detection signals and the rotation angle difference then proceeds accordingly by analogous electronic operations (multiplication, subtraction, comparison) as discussed above for the first embodiment. The signal processing can also be performed on a digital level in a digital signal processor (DSP).
Wegen der oben angesprochenen Gleichheit der Amplituden- und Offsetwerte der einzelnen Detektionssignale für jedes Paar von XMR-Sensoren brauchen diese jedoch nur einmal berechnet werden. Daher kann auch die Prozesseinheit entsprechend vereinfacht werden. Wie in
Der Spitzenwertdetektor
Der Offsetwert BX2,offset und die Amplitude ΔBX2 für die XMR-Sensoren des zweiten Sensorenpaars R2, L2 werden durch den zweiten Spitzenwertdetektor
Die berechneten Offsetwerte und Amplituden werden dann den Subtraktionseinheiten und Divisionseinheiten übergeben. Dabei werden die korrigierten Detektionssignale durch separate Subtraktionseinheiten
Die Drehwinkeldifferenz Δα wird dann aus den korrigierten Detektionssignalen BXL1,korr, BXR1,korr, BXL2,korr, BXR2,korr durch die zwei Multiplikationseinheiten
In einer vorteilhaften Variante könnte die Prozesseinheit
Die Berechnung der korrigierten Detektionssignale und Drehwinkeldifferenz verläuft dann wie für die oben beschriebene Prozesseinheit
Dennoch ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt.Nevertheless, the invention is not limited to the illustrated embodiments.
In der ersten und zweiten Ausführungsform wird das Vorspannungsmagnetfeld von jedem magnetischen Sensor durch das gleiche das Vormagnetfeld erzeugende Element
In den dargestellten Ausführungsformen ist die Zielscheibe ein Zahnrad, welches aus ferromagnetischem Material mit einer radialen Zahn-/Lückengeometrie hergestellt wird.In the illustrated embodiments, the target is a gear made of ferromagnetic material having a radial tooth / gap geometry.
In einer vorteilhaften Variante kann die Zielscheibe auch integral mit der drehbaren Welle hergestellt sein. In einer anderen alternativen Ausführungsform können die magnetischen Ziele unmittelbar in der drehbaren Welle eingelassen sein.In an advantageous variant, the target can also be produced integrally with the rotatable shaft. In another alternative embodiment, the magnetic targets may be recessed directly in the rotatable shaft.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann statt der dargestellten Zielscheibe ein röhrenartiges drehbares Teil verwendet werden, das eine ringförmig angeordnete Vielzahl von Öffnungen als Ziele aufweist. Dabei kann das röhrenartige Teil selbst aus einem magnetischen Material bestehen. Bezugszeichenliste:
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