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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeber für ein drehbares Bauteil, wie insbesondere eine Radnabe eines Kraftfahrzeugs. Ein derartiger Winkelgeber umfasst ein Polrad, welches am drehbaren Bauteil anbringbar ist und mit diesem rotiert, sowie mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher drehfest positioniert ist, um die Rotation des Polrads zu erfassen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Anordnung zur Ermittlung von Unwucht und Last am drehbaren Bauteil, durch Auswertung der erfassten Winkelgebersignale.
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Ein typisches Einsatzfeld von Winkelgebern sind elektrische Antriebe, beispielsweise für Fahrzeuge aber auch in vielen anderen Einsatzfeldern. So werden in der Winkel- und Kommutierungssensorik Winkelgeber verwendet, um abhängig von der Drehbewegung eines Bauteils Signale zu erzeugen, die zu Mess- und Steuerzwecken ausgewertet werden können.
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Die
DE 10 2013 203 388 B3 zeigt einen Rotorlagegeber für eine einen Stator und einen Rotor aufweisende elektronisch kommutierte elektrische Maschine. Der Rotorlagegeber umfasst einen am Stator drehfest gelagerten Rotorlagesensor zur Erfassung der Drehlage des Rotors gegenüber dem Magnetfeld des Stators und einen am Rotor befestigten mitdrehenden Signalgeber sowie einen Referenzgeber zum Erfassen von Referenzwerten der magnetischen Flussdichte des Rotorfeldes. Referenzgeber und/oder Rotorlagesensor können Hall-Sensoren sein.
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Die bei Winkelgebern üblicherweise verwendeten Magnetfeldsensoren erfassen nur zwei Raumkomponenten des vom Polrad erzeugten Magnetfeldes. Diese beiden Raumkomponenten spannen einen rotierenden Zeiger auf, welcher die für die Kommutierung erforderliche Winkelinformation repräsentiert. Im Stand der Technik werden häufig GMR(Giant Magneto Resistance)-Sensoren oder AMR(Anisotropic Magneto Resistance)-Sensoren verwendet, da deren Messsignal bereits proportional zu dem zu ermittelnden Winkel ist. Alternativ können jedoch auch zwei Hall-Zellen verwendet werden, deren Signale über die Arkustangensfunktion zu einem Winkel verrechnet werden. Aus dem mit den bisherigen Lösungen ermittelten Winkelsignal wurden bislang keine zusätzlichen Informationen über eine Unwucht und/oder eine wirkende Last ermittelt.
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Die
US 1,804,168 A beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Veränderungen der Drehung eines rotierenden Elements, auf dem eine Magnetstruktur angebracht ist. Die
JP S58 154 614 A beschreibt einen magnetischen Drehkodierer und
DE 10 2009 032 808 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung einer Unwucht eines Fahrzeugrads mit einem Schwingungssensor und einem Drehzahlsensor. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Winkelgeber für ein drehbares Bauteil zur Verfügung zu stellen, durch welchen neben der Winkelinformation auch Informationen über eine Unwucht des Bauteils und/oder eine auf das Bauteil wirkende Last bereitgestellt werden. Weiterhin soll auch eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil und einen Winkelgeber sowie eine Anordnung zur Ermittlung von Unwucht und Last aus den vom Winkelgeber erfassten Signalen zur Verfügung gestellt werden.
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Es sind in jüngerer Zeit Magnetfeldsensoren bekannt geworden, die drei Richtungskomponenten des Magnetfeldes erfassen können. Es handelt sich dabei insbesondere um 3D-Hallsensoren. Bislang werden in unterschiedlichen Anwendungsfällen aber nur eine, allenfalls zwei dieser Komponenten ausgewertet, während die dritte Komponente ungenutzt bleibt.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Winkelgeber gemäß Anspruch 1. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Anordnung gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Winkelgeber umfasst zunächst ein Polrad, welches an einem drehbaren Bauteil anbringbar ist. Das Polrad besitzt eine Anzahl umlaufend abwechselnd angeordneter magnetischer Nord- und Südpole. Ein Magnetfeldsensor ist drehfest in Bezug zum Polrad an einem Gehäuseteil bzw. Stator positioniert, sodass sein Erfassungsbereich die vom rotierenden Polrad hervorgerufenen Magnetfeldänderungen detektieren kann. Der Magnetfeldsensor ist dazu beabstandet vom Polrad im Bereich der äußeren Umfangslinie des Polrads anbringbar und dient zunächst in bekannter Weise zum Ermitteln einer ersten und einer zweiten Richtungskomponente eines vom Polrad während seiner Rotation erzeugten Magnetfeldes. Aus erster und zweiter Komponente des Magnetfeldes kann das zur Kommutierung erforderliche Winkelsignal ermittelt werden. Die erste Komponente entspricht hierbei vorzugsweise der tangentialen Komponente (x-Komponente), während die zweite Komponente der axialen Komponente (z-Komponente) entspricht.
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Erfindungswesentlich ist, dass der Magnetfeldsensor zusätzlich noch zur Ermittlung einer dritten Komponente des vom rotierenden Polrad erzeugten Magnetfeldes ausgebildet ist. Die dritte Komponente ist vorzugsweise die radiale Komponente (y-Komponente). Der Winkelgeber umfasst darüber hinaus eine Auswerteeinheit, die alle drei Richtungskomponenten verarbeitet und zur weiteren Verwendung an nachfolgend Schaltungseinheiten bereitstellt. Wird nun ein axial magnetisiertes Polrad verwendet und wird der Sensor im wesentlichen senkrecht oberhalb oder unterhalb der Drehachse des Polrades positioniert, so enthält die dritte erfasste Komponente des Magnetfeldes Informationen über den senkrechten radialen Versatz, aus denen sich eine Radlast oder auch eine auftretende Unwucht errechnen lassen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch Erfassen aller drei Komponenten des vom Polrad während seiner Rotation erzeugten Magnetfeldes neben dem eigentlichen, für die Kommutierung benötigten Winkelsignal, auch ein senkrechter radialer Versatz des Polrads und damit auch des drehbaren Bauteils ermittelt werden kann. Aus dem radialen Versatz, welcher dem Abstand der Drehachse zum Schwerpunkt eines rotierenden Körpers entspricht, können die auf den Körper radial einwirkende Last bzw. die Unwucht ermittelt werden. Soweit von außen keine radialen Kraftkomponenten auf das rotierende Bauteil einwirken, resultiert ein radialer Versatz ausschließlich aus einer dem Bauteil innewohnenden Unwucht. Auf diese Weise kann der ohnehin benötigte Winkelgeber zusätzliche Informationen zur Verfügung stellen, welche sonst mit separaten Messsystemen zu ermitteln wären. Hierdurch verringert sich der Montageaufwand, was nicht zuletzt auch zu Kosteneinsparungen führt. Außerdem kann Bauraum eingespart werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Polrad axial derart ausgedehnt, dass eine messbare Auswertung mittels des am Umfang des Polrads angeordneten Magnetfeldsensors möglich ist. Ein solches Polrad wird bevorzugt als axial magnetisiertes Polrad ausgeführt. Der Magnetfeldsensor ist gleichzeitig so ausgebildet, dass er einen relativ geringen radialen Versatz des Polrades sicher erfassen kann. Beispielsweise kann der Sensor sich dazu über einen vorbestimmten radialen Bereich des Polrades erstrecken und/oder den äußeren Umfang des Polrades zangenartig umgreifen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet einen dreidimensionalen Hallsensor als Magnetfeldsensor. Es sind jedoch auch andere Sensoren möglich, welche eine dreidimensionale Erfassung des Magnetfeldes gestatten.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn alle Pole des Polrads einen gleichen Polwinkel einnehmen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermittlung einer Unwucht und/oder einer auf ein drehbares Bauteil wirkenden Last umfasst das drehbares Bauteil, ein damit verbundenes Polrad sowie mindestens einen gegenüber dem Polrad feststehenden Magnetfeldsensor, welcher das vom bewegten Polrad erzeugte Magnetfeld detektiert, wobei der Magnetfeldsensor zum Ermitteln von drei Richtungskomponenten des Magnetfeldes ausgebildet ist. Die Anordnung besitzt außerdem eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um alle drei Richtungskomponenten des sich ändernden Magnetfeldes zu verarbeiten und an nachfolgende Schaltungseinheiten bereit zu stellen. Das drehbare Bauteil ist beispielsweise eine Radnabe eines Kraftfahrzeugs.
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Ein Verfahren zur Ermittlung einer Unwucht eines drehbaren Bauteils und einer auf das drehbare Bauteil wirkenden Last verwendet bevorzugt den oben beschriebenen Winkelgeber. Das Verfahren umfasst mindestens nachfolgend beschriebene Schritte. Zunächst wird zumindest eine radiale Komponente eines von einem rotierenden Polrad erzeugten Magnetfeldes erfasst. Aus der erfassten radialen Komponente kann der radiale Versatz bestimmt werden. Der radiale Versatz dient wiederum zur Bestimmung von Unwucht und/oder Last.
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Der radiale Versatz kann aus der radialen Komponente direkt mittels Auswertung einer Peak-to-Peak-Amplitude bestimmt werden. Peak-to-Peak-Amplitude bezeichnet bekanntlich den Wechsel zwischen dem höchsten Amplitudenwert und dem niedrigsten Amplitudenwert.
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Zur Ermittlung der Unwucht kann aus der radialen Komponente eine Schwebung herausgefiltert werden. Die Schwebung weist hierbei die gleiche Grundfrequenz wie das drehbare Bauteil auf. Durch Auswertung der Amplitude der Schwebung wird nachfolgend die Unwucht ermittelt.
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Die direkte Verwendung der radialen Komponente hat allerdings unter bestimmten Bedingungen auch Nachteile. So wirken sich Temperatur- und Luftspalteinflüsse direkt auf die Amplitude des Signals aus und würden somit nicht von dem zu ermittelnden radialen Versatz unterschieden werden können. Außerdem geht durch die reine Amplitudenauswertung ein im Signal auftretende Vorzeichenwechsel verloren. Aus diesem Grund hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ähnlich wie bei Ermittlung des Winkels für die Kommutierung, den Arkustangens aus der radialen Komponente mit der zusätzlich zu erfassenden axialen Komponente zu bilden. Auf diese Weise können Änderungen im gesamten Betrag der Flussdichte, wie sie durch Temperatur und Luftspalt verursacht werden, wieder herausgerechnet werden. Da der Einfluss des radialen Versatzes auf die radiale Komponente um ein Vielfaches größer ist, als auf die axiale Komponente, bleibt dieser auch nach Bildung des Arkustangens erhalten.
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Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Winkelgeber alle drei Richtungskomponenten des sich ändernden Magnetfeldes von einem geeigneten Sensor erfasst und von einer Auswerteeinheit ausgewertet. In abgewandelten Ausführungen kann anstelle der radialen Komponente eine beliebige der drei Richtungskomponenten verwendet werden, um Messsignale bereitzustellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: ein Diagramm zur Darstellung der vom Magnetfeldsensor des erfindungsgemäßen Winkelgebers detektierten bzw. ermittelten Signale;
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2: ein Diagramm zur Darstellung des errechneten Winkelsignals;
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3: ein Diagramm zur Darstellung der vom radialen Versatz abhängigen Signale;
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4: ein Diagramm zur Darstellung der gemäß 3 ermittelten und weiterverarbeiteten Signale.
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1 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der vom Magnetfeldsensor eines erfindungsgemäßen Winkelgebers detektierten bzw. ermittelten Signale. Der erfindungsgemäße Winkelgeber umfasst ein an einem drehbaren Bauteil angeordnetes Polrad mit einer Anzahl umlaufend abwechselnd angeordneter magnetischer Nord- und Südpole. Bei Rotation des Bauteils und der damit verbundenen Rotation des Polrades wird ein Magnetfeld erzeugt, welches mittels eines gegenüber dem Polrad stationär festgelegten Magnetfeldsensors dreidimensional erfasst wird, d. h. der Sensor erfasst drei Richtungskomponenten des sich ändernden Magnetfeldes, vorzugsweis eine axiale, eine radiale und eine tangentiale Komponente. Vom Magnetfeldsensor werden im dargestellten Beispiel die für die Kommutierung erforderliche tangentiale Komponente B
tan und die axiale Komponente B
z des Magnetfeldes erfasst. Des Weiteren erfolgt auch eine Erfassung der radialen Komponente B
rad. Die dargestellten Kurvenscharen entstehen durch Variation des radialen Versatzes des Magnetfeldsensors über dem Polrad. Der radiale Versatz wurde von –1,0 mm (Kurve 01) bis 1,0 mm (Kurve 11) in 0,2 mm Schritten variiert. Er weist somit bei den einzelnen Kurven folgende Werte auf:
| • Kurve 01: | –1,00 mm |
| • Kurve 02: | –0,8 mm, |
| • Kurve 03: | –0,6 mm, |
| • Kurve 04: | –0,4 mm, |
| • Kurve 05: | –0,2 mm, |
| • Kurve 06: | 0 mm |
| • Kurve 07: | 0,2 mm |
| • Kurve 08: | 0,4 mm |
| • Kurve 09: | 0,6 mm |
| • Kurve 10: | 0,8 mm |
| • Kurve 11: | 1,0 mm |
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1 kann weiterhin entnommen werden, dass der radiale Versatz alle drei Richtungskomponenten des Magnetfeldes beeinflusst, wobei der Einfluss auf die radiale Komponente Brad wesentlich größer ist als auf die beiden anderen Komponenten Btan und Bz. Zur Ermittlung des Winkelsignals wird der Arkustangens zwischen Btan und Bz gebildet. Hierdurch rechnet sich der radiale Versatz wieder heraus. Dies ist aus 2 ersichtlich, welche ein Diagramm zur Darstellung des so errechneten Winkelsignals zeigt.
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Zur Ermittlung des radialen Versatzes wird demzufolge die vom radialen Versatz stärker beeinflusste radiale Komponente Brad verwendet. Die radiale Komponente Brad kann direkt verwendet werden, wodurch jedoch ein von Temperatur und Luftspalt stark abhängiges Signal als Ausgangsbasis bereit steht (siehe oben).
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Als sinnvoller hat es sich erwiesen, den Arkustangens aus der radialen Komponente Brad mit der axialen Komponente Bz zu bilden. Hierdurch ergibt sich der in 3 dargestellte Signalverlauf. Über jede Halbwelle ergeben sich konstante Signale, bei denen die Vorzeicheninformation des radialen Versatzes nicht verloren gehen. Die Signale sind außerdem deutlich unabhängiger von Temperatur und Luftspalt als das ursprüngliche Signal Brad. Der Wechsel zwischen den zwei unterschiedlichen Niveaus in jeder Halbwelle kann durch Anwendung geeigneter mathematischer Algorithmen beseitigt werden, zum Beispiel mittels modulo-Funktion.
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4 zeigt ein Diagramm mit den entsprechend bereinigten Signalen. Der Darstellung kann entnommen werden, dass an der Stelle des gleichzeitigen Durchschreitens des Nulldurchgangs der beiden Rohsignale, die Signalgenauigkeit in diesem Punkt unbrauchbar wird. Diese Auswirkung lässt sich durch eine bedingte Auswertung eliminieren, indem nur Werte welche mit ausreichendem Vektorbetrag Brad 2 + Bz 2 ermittelt wurden, weiter verarbeitet werden.
