DE3605995A1 - Vorrichtung zur messung der winkelgeschwindigkeit eines rotierenden koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers, d.h. eines Rades, einer Welle oder dergl., und zur Erzeugung eines Wechselsignals, dessen Frequenz zu der Winkelgeschwindigkeit proportional ist, mit einem als Zahnscheibe ausgebildeten Meßwertgeber und mit einem feststehenden, an der Peripherie der Zahnscheibe ange­ ordneten, durch einen Luftspalt von der Zahnscheibe ge­ trennten induktiven Meßwertaufnehmer, der ein den Luft­ spalt durchsetzendes Magnetfeld erzeugt.

Derartige Vorrichtungen mit Meßwertgebern und -aufnehmern, d.h. Sensoren, werden z.B. zur Messung des Raddrehverhaltens in elektronisch gesteuerten blockiergeschützten Bremsanlagen verwendet. Die Sensor­ signale werden im Regler solcher Bremsanlagen mit Hilfe von festverdrahteten oder programmgesteuerten elektro­ nischen Schaltkreisen logisch verknüpft und verarbeitet. Auf diese Weise entstehen Steuersignale, die z.B. elektromagnetisch betätigten hydraulischen Mehrwegeven­ tilen zugeführt werden und auf diese Weise zu der ge­ wünschten Bremsdruckmodulation und schließlich zur Schlupfregelung führen.

Es sind induktive Meßwertaufnehmer dieser Art in zahl­ reichen Varianten bekannt. In der DE-PS 20 19 801 ist ein Sensor beschrieben, der einen Dauermagneten enthält und ebenfalls an der Peripherie einer als Meßwertgeber dienenden, mit dem rotierenden Körper umlaufenden Zahn­ scheibe angeordnet ist. Zwischen Polschuhen des Magneten und der Zahnscheibe besteht ein schmaler Luftspalt, in dem sich ein von dem Dauermagneten hervorgerufenes Magnetfeld ausbildet. Durch den Wechsel von Zahn und Zahnlücke ändert sich beim Rotieren der Zahnscheibe das Magnetfeld und induziert in einer auf dem Dauer­ magnet-Kern aufgewickelten Meßspule ein Wechselsignal, dessen Frequenz der Drehbewegung der Zahnscheibe propor­ tional ist. Die Amplitude des Meßsignals wächst ebenfalls annähernd linear mit der Drehbewegung. Dies hat den Nach­ teil, daß bei langsamer Umdrehung nur ein Meßsignal sehr geringer Amplitude zur Verfügung steht, das nur mit großem elektronischem Aufwand von den unvermeidbaren Störsignalen getrennt werden kann. Außerdem läßt es sich nicht vermeiden, daß während des Stillstands des Rades die Zahnscheibe durch das Feld des Dauermagneten auf­ magnetisiert wird, was ebenfalls im Betrieb Störsignale zur Folge hat. Schließlich wird die Funktion dieses be­ kannten Sensors bzw. dieser Meßvorrichtung noch durch die Ansammlung von eisenhaltigen Partikeln beeinträchtigt, die sich unter dem Einfluß des Dauermagnetfeldes an den Polen ansammeln und zu Kurzschlußbrücken führen können.

Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen bzw. Meßwertaufnehmer ähnlicher Art sind z.B. auch in der DE-PS 21 13 307 und in der DE-OS 34 00 870 dargestellt und beschrieben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die ge­ schilderten Nachteile bekannter Sensoren zu überwinden und eine Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindig­ keit eines rotierenden Körpers zu entwickeln, die im ge­ samten Arbeitsbereich, insbesondere auch bei geringen Winkelgeschwindigkeiten, ein mit vergleichsweise geringem elektronischen Aufwand auswertbares, von den Störsignalen zu trennendes Meßsignal oder Nutzsignal liefert. Eine hohe Betriebssicherheit auch über längere Zeiträume wird ebenfalls verlangt.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe in über­ raschend einfacher, technisch fortschrittlicher Weise mit einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Art lösen läßt, deren Weiterbildung darin besteht, daß das Magnet­ feld durch eine auf einen Spulenkern aufgebrachte Er­ regerwicklung entsteht, durch die im Betrieb der Meßvor­ richtung ein geregelter Gleichstrom fließt, und daß eine zweite Wicklung, nämlich eine Meßwicklung, vorhanden ist, in der bei Änderung des Magnetfeldes infolge einer Dreh­ bewegung der Zahnscheibe ein das Meßsignal darstellendes Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers induzierbar ist.

Erfindungsgemäß wird also in dem Luftspalt zwischen dem Meßwertgeber und dem Meßwertaufnehmer anstelle eines Dauermagnetfeldes ein geregeltes magnetisches Feld aufge­ baut. Bei ausgeschalteter Stromversorgung - dieser Zu­ stand ist bei einem Kraftfahrzeug nach dem Ausschalten der Zündung gegeben - wird das Magnetfeld zu Null, so daß Eisenpartikel oder Abrieb, der sich im Bereich des Luft­ spaltes am Pol oder an den Polschuhen angesammelt hat, abfallen und nicht mehr zu Betriebsstörungen führen können. Außerdem wird durch die Regelung des Erreger­ stromes erreicht, daß gerade bei geringen Geschwindig­ keiten ein hohes Magnetfeld entsteht, welches in dieser Betriebsphase ein Meßsignal mit vergleichsweise hoher Amplitude hervorruft. Mit ansteigender Geschwindigkeit wird dagegen der geregelte Erregerstrom geringer, wodurch die Belastung der Batterie abnimmt und wodurch ein Konstantbleiben oder nur mäßiges Ansteigen der Meßsignal­ amplitude erreicht wird. Die Auswertbarkeit des Meß­ signals wird dadurch erheblich verbessert und der hierzu erforderliche elektronische Aufwand verringert.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist der Meßwertaufnehmer mit einer elektronischen Regel­ schaltung ausgerüstet, die den durch die Erregerwicklung fließenden geregelten Gleichstrom hervorruft.

Zweckmäßigerweise ist die Höhe des durch die Erreger­ wicklung fließenden Gleichstroms in Abhängigkeit von der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals des Meßwertauf­ nehmers regelbar. Es ist in vielen Fällen günstig, wenn die Höhe des geregelten Gleichstroms zumindest näherungs­ weise umgekehrt proportional zur Höhe des gleichge­ richteten Meßsignäls variierbar ist.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beide Spulenwicklungen, nämlich die Erregerwicklung und die Meßwicklung, auf einem gemeinsamen Spulenkern aufgebracht, der eine der Zahnscheibe zugewandte Stirn- bzw. Polseite besitzt, die den von dem Magnetfeld durchsetzten Luftspalt zwischen der Zahnscheibe und dem Meßwertaufnehmer begrenzt.

Eine weitere Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß die Regelschaltung einen veränderlichen Widerstand, z.B. einen Transistor, enthält, über den die Erreger­ wicklung an eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle angeschlossen ist und der zumindest näherungsweise pro­ portional zu der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist. Zwischen dem Steueranschluß des veränder­ lichen Widerstandes - das ist in dem vorgenannten Sonder­ fall die Basis des Transistors - und dem Ausgang der Meß­ wicklung ist zweckmäßigerweise eine Verstärkerstufe mit nachgeschaltetem Gleichrichter, z.B. einem Einweggleich­ richter, vorgesehen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Abbildungen hervor. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung, im Schnitt einen Meßwertaufnehmer der erfindungsgemäßen Art und dessen Anordnung gegenüber der Zahnscheibe, und

Fig. 2 eine besonders einfache Ausführungsart einer Regelschaltung zur Beeinflussung des Meßwertgeber-Erregerstroms.

Wie Fig. 1 zeigt, setzt sich der Meßwertaufnehmer 1 der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im wesentlichen aus einem Kern 2 und zwei Spulen oder Wicklungen 3, 4, nämlich einer Erregerwicklung und einer Meßwicklung, zusammen. Die beiden Spulen sind auf einen Spulenträger 5 aufge­ wickelt. Die Anschlüsse der Wicklungen sind mit 6, 7 und 8 bezeichnet. Der Kern 2 besteht üblicherweise aus ferro­ magnetischem Material. Die ganze Anordnung befindet sich in einem Gehäuse 9, das die Anordnung vor mechanischen Einflüssen und vor Feuchtigkeit schützt.

Der Meßwertaufnehmer 1 ist z.B. an der Fahrzeugachse be­ festigt, während ein als Meßwertgeber ausgebildetes Zahn­ rad 10 mit dem Rad, der Welle oder einem anderen Dreh­ körper, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, umläuft.

Der Kern 2 des Meßwertaufnehmers 1 ist an seiner der Zahnscheibe 10 zugewandten Stirn- oder Polseite 11 durch das Gehäuse hindurchgeführt und derart gestaltet, daß in dem Luftspalt zwischen der Zahnscheibe 10, dem Meßwert­ geber, und der Pol- oder Stirnseite 11 des Meßwertauf­ nehmers 1 ein Magnetfeld mit relativ hoher Dichte ent­ steht, so daß sich im Betrieb, wenn sich die Scheibe 10 dreht, beim Übergang von einem Zahn zu einer Zahnlücke der magnetische Fluß so stark ändert, daß selbst bei ge­ ringer Winkelgeschwindigkeit als Folge dieser Fluß­ änderung eine ausreichende Meßspannung in der Meßwicklung induziert wird. Dabei ist die Frequenz der Meßspannung der Winkelgeschwindigkeit und der Zähnezahl der Zahn­ scheibe 10 direkt proportional. Bei einem konstanten Er­ regerstrom würde die Höhe der Meßspannung proportional zu der Winkelgeschwindigkeit zunehmen und abnehmen.

Eine Regelschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht Fig. 2. Über die Anschlüsse 7 und 8 fließt in diesem Fall ein Erregerstrom, nämlich ein aus der Fahrzeugbatterie U _B , die hier als Spannungsquelle dient, abgeleiteter, geregelter Gleichstrom. Die Höhe dieses Erregerstroms wird mit Hilfe eines steuerbaren veränderlichen Widerstandes, hier eines Transistors T 2, in Abhängigkeit von dem Meßsignal, das von den Klemmen 6 und 7 der Meßwicklung abgegriffen wird, geregelt. Hierzu ist an die Klemmen 6 und 7 der Meßwicklung über ein Koppelkondensator C 1 eine Verstärkerstufe vl, die hier im wesentlichen aus einem Transistor T 1, einem Spannungs­ teiler R 1, R 2 sowie aus den Kollektor- und Emitterwider­ ständen R 3, R 4 besteht, mit einem nachgeschalteten Einweg-Gleichrichter D 1, C 4 angeschlossen. Über einen Spannungsteiler R 5, R 6 am Ausgang des Einweg-Gleich­ richters D 1, C 4 wird der als veränderlicher Widerstand dienende Transistor T 2, der die Höhe des Erregerstroms bestimmt, angesteuert. "B" bezeichnet die Basis, "E" den Emitter und "C" den Kollektor des Transistors T 2.

Von den Klemmen 6, 7 der Meßwicklung 3 ist außerdem über hier nicht dargestellte Signalleitungen eine Auswerte­ schaltung angeschlossen, in der die Frequenz des Meß­ signals und damit die Informationen über das Raddrehver­ halten ausgewertet werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Regelschaltung arbeitet wie folgt:

Solange das Rad, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, und damit die Zahnscheibe 10 stillsteht oder nur mit sehr geringer Geschwindigkeit rotiert, ist die Spannung am Ausgang des Einweggleichrichters bzw. über dem Spannungsteiler R 5, R 6 minimal. Nach dem Einschalten der Zündung und damit der Versorgungsspannung U _B wird daher der Transistor T 2 über den Basiswiderstand R 6 auf Durchlaß geschaltet. Über den Transistor T 2 und über die Wicklung 4 fließt in dieser Phase der höchstmögliche, im wesentlichen nur durch den Emitterwiderstand R 7 und den Innenwiderstand der Erregerwicklung 4 begrenzte Erreger­ strom.

Der Transistor T 1 der Verstärkerschaltung ist zunächst ebenfalls über den Basiswiderstand R 1 auf Durchlaß ge­ schaltet. Sobald jedoch die Amplitude des Meßsignals, nämlich die Wechselspannung zwischen den Klemmen 6 und 7, infolge höherer Winkelgeschwindigkeiten der Zahnscheibe 10 ansteigt, wird in der Sperrphase des Transistors T 1 der Kondensator C 4 am Ausgang der Verstärkerstufe V 1 über den Kollektorwiderstand R 3, den Kondensator C 3 und die Diode D 1 geladen. Über den Kondensator C 4 und damit über dem Spannungsteiler R 5, R 6 entsteht ein Spannungsgefälle, das zu einer Anhebung des Potentials an der Basis B des Transistors T 2 und damit zu einer Verringerung des über den Transistor T 2 fließenden Erregerstromes führt. Dies hat wiederum eine Verringerung des Magnetfeldes zwischen dem Kern 2 und der Zahnscheibe 10 und damit der - bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit des Rades 10 - induzierten Spannung in der Meßwicklung 3 zur Folge. Durch diese "Gegenkopplung" wird die Amplitude des Meßsignals am Ausgang der Meßwicklung 3 (nahezu) unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit; jedenfalls ist die Amplitudenschwankung im Vergleich zu Meßwertauf­ nehmern mit konstantem Magnetfeld geringer. Die Auswert­ barkeit des Meßsignals, insbesondere die Trennung zwischen Stör- und Nutzsignal, wird auf diese Weise erheblich verbessert.

Die dargestellte Regelschaltung stellt eine von mehreren Möglichkeiten dar. Bei der Auslegung der Schaltung ist vor allem darauf zu achten, daß in der beschriebenen Weise der Erregerstrom - nach dem Einschalten der Zündung - bei stillstehendem Rad oder geringer Winkelge­ schwindigkeit ein Maximum annimmt und in einer von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängigen Weise bei steigendem Meßsignal oder Nutzsignal bis zu einem Mindestwert reduziert wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers, d.h. eines Rades, einer Welle oder dergl., und zur Erzeugung eines Wechsel­ signals, dessen Frequenz zu der Winkelgeschwindigkeit proportional ist, mit einem als Zahnscheibe ausge­ bildeten Meßwertgeber und mit einem feststehenden, an der Peripherie der Zahnscheibe angeordneten, durch einen Luftspalt von der Zahnscheibe getrennten induktiven Meßwertaufnehmer, der ein den Luftspalt durchsetzendes Magnetfeld erzeugt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetfeld durch eine auf einen Spulenkern (2) aufgebrachte Erreger­ wicklung (4) entsteht, durch die im Betrieb der Meß­ vorrichtung ein geregelter Gleichstrom fließt, und daß eine zweite Wicklung (3), nämlich eine Meßwicklung, vorhanden ist, in der bei Änderung des Magnetfeldes infolge einer Drehbewegung der Zahnscheibe (10) ein das Meßsignal darstellendes Ausgangssignal des Meß­ wertaufnehmers (1) induzierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (1) mit einer elektronischen Regelschaltung ausgerüstet ist, die den durch die Erregerwicklung (4) fließenden geregelten Gleichstrom hervorruft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Höhe des durch die Erregerwicklung (4) fließenden Gleichstroms in Ab­ hängigkeit von der Höhe des gleichgerichteten Meß­ signals des Meßwertaufnehmers (1) regelbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des durch die Erregerwicklung (4) fließenden Gleichstroms zu­ mindest näherungsweise umgekehrt proportional zur Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen­ wicklungen, nämlich die Erreger- und die Meßwicklung (4 bzw. 3), auf einem gemeinsamen Spulenkern (2) auf­ gebracht sind, der eine der Zahnscheibe (10) zuge­ wandte Stirn- bzw. Polseite (11) besitzt, die den von dem Magnetfeld durchsetzten Luftspalt zwischen der Zahnscheibe (10) und dem Meßwertaufnehmer (1) be­ grenzt. .

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen veränderlichen Widerstand (T 2) enthält, über den die Erregerwicklung (4) an eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle (U _B) angeschlossen ist und der zumindest näherungsweise proportional zu der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als veränderlicher Widerstand (T 2) ein von dem gleichgerichteten Meßsignal ange­ steuerter Transistor vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Steueran­ schluß (B) des veränderlichen Widerstandes (T 2) und dem Ausgang des Meßwertgebers (1) bzw. der Meßwicklung (3) eine Verstärkerstufe (vl) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (D 1, C ₄) vorgesehen ist.