DE3907760A1 - Verfahren und vorrichtung zur fehlerfreien drehmomentmessung an einer welle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur feh­ lerfreien Drehmomentmessung an einer Welle sowie einer Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung wie sie im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 angegeben und aus der DE 32 35 122 A1 bekannt ist.

In dieser Schrift ist eine Anordnung beschrieben, in der der Einfluß der Verlagerung der Welle (z.B. infolge von mechanischem Spiel) auf die Messung des Drehmomentes kom­ pensiert werden kann. Zur Messung des Drehmoments ist auf der Oberfläche der Welle ein Kranz von regelmäßig angeord­ neten Zähnen jeweils an den beiden Punkten der Welle ausge­ bildet, zwischen denen die von einem Drehmoment hervorgeru­ fene Torsion der Welle gemessen werden soll. Zur berüh­ rungslosen Erfassung dieser Zähne sind beabstandet zu die­ sen vier passive magnetische Sensoren in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei jeweils zwei der Sensoren sich in einer Ebene diametral gegenüberliegen, die senkrecht zur gemeinsamen Ebene und zur Welle liegt und sich durch einen der beiden Zahnkranzbereiche erstreckt. Die mit dieser Sen­ soranordnung aufgenommenen, die Rotation der Welle wieder­ gebenden Signale weisen gegenüber einander durch die Senso­ ranordnung und die hierdurch phasenverschobene Erfassung der Zähne vorgegebene Phasendifferenzen auf. Die Phasendif­ ferenz zwischen den zu einem Zahnkranz gehörenden Sensoren entspricht jeweils 180°, wohingegen die zu einem Zahnkranz gehörenden Sensoren zu denen des anderen Zahnkranzes keine vorgegebene definierte Phasenverschiebung aufweisen, da die Sensoren in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Welle liegen.

Die Signale sämtlicher Sensoren werden nachverstärkt und durch den Verstärkern jeweils nachgeschaltete Komparatoren in Rechteckschwingungssignale, d.h. impulsförmige Signale umgesetzt. Die umgesetzten Rechtecksignale der einem Zahn­ kranz zugeordneten Sensoren werden jeweils mit dem umge­ setzten Signal des lagemäßig entsprechenden Sensors, der dem anderen Zahnkranz zugeordnet ist, über ein NAND-Schal­ tungsglied verknüpft. Das Ausgangssignal eines weiteren NAND-Glieds, dem die beiden so gewonnenen verknüpften Si­ gnale zugeführt werden, liefert ein Signal, dessen Mittel­ wert ein Drehmoment anzeigt, welches eine Torsion der Welle hervorruft, die wiederum eine Phasenschiebung der von einem Zahnkranz aufgenommenen Signale zu denen vom anderen Zahn­ kranz bewirkt, welche durch die genannte Verknüpfung erfaßt wird.

Treten vertikale oder horizontale Verlagerungen der Welle an einem Ende auf, so werden die dort in der Ebene senk­ recht zur Welle um 180° phasenverschoben aufgenommenen Meß­ signale im Gegensatz zum Fall der Anwendung eines Drehmo­ ments phasenmäßig in entgegengesetzte Richtung gegeneinan­ der verschoben. Auch die Phase der entsprechenden Rechtec­ kimpulse wird in entgegengesetzte Richtung verschoben, so daß sich die durch die Verlagerung hervorgerufene Phasen­ verschiebung im Verknüpfungssignal sämtlicher Rechtecksi­ gnale gerade aufhebt und das phasenmäßig in einer Richtung wirkende Drehmoment nicht verfälscht.

Abgesehen von rein mechanischen Effekten wie tangentialen Verschiebungen der Welle mit den Zahnkränzen gegenüber den Sensoren rufen jedoch auch andere Einflüsse nicht durch ein Moment erzeugte Phasenverschiebungen hervor, die sich als Meßfehler auswirken. So sind die Sensoren und die Verarbei­ tungselektronik Umwelteinflüssen ausgesetzt, wobei insbe­ sondere die nur mit hohem Aufwand reduzierbaren Temperatur­ schwankungen Meßfehler verursachen. Schwankungen treten hierbei in der Empfindlichkeit der Sensoren bzw. der nach­ geschalteten Verstärkereinheiten auf und sind daneben auch häufig durch Offset bedingt. Bei letzterem wird den Meßsi­ gnalen eine sich ändernde Gleichspannungskomponente überla­ gert. Insbesondere bei den häufig eingesetzten Hallelemen­ ten bzw. Feldplattenelementen stellt dies einen wesentli­ chen Einfluß dar.

Der überlagerte Offset-Gleichspannungsanteil in den Meßsi­ gnalen führt zu einer Änderung des Tastverhältnisses der aus den Meßsignalen gewonnenen impulsförmigen Rechtecksi­ gnale. Die naturgemäß für die einzelnen Impulssignale un­ terschiedlichen Änderungen können mit der Schaltung des oben erläuterten Systems nicht kompensiert werden. Tritt z.B. eine durch Offset bedingte Änderung des Tastverhält­ nisses in einem der zu verknüpfenden Signale auf, so pflanzt sich diese auch im mit dem Signal des gegenüberlie­ genden Sensors der anderen Ebene gebildeten Verknüpfungssi­ gnal fort. Infolgedessen ist auch das Tastverhältnis des endgültigen Verknüpfungssignals geändert, so daß sich der Mittelwert entsprechend verschiebt. Führt man im Impulsdia­ gramm der obigen Schrift die entsprechenden Änderungen im einzelnen aus, so resultiert eine Vergrößerung oder Verminderung des Mittelwerts und damit eine entsprechende Verfälschung des Drehmoments.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 3 ein neues Verfahren zur fehlerfreien Drehmomentmessung an einer Welle bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah­ rens anzugeben, welches neben der einwandfreien Messung des Drehmoments mit Kompensation von mechanisch bedingten Ein­ flüssen der erwähnten Art auch die Kompensation von Fehlern gewährleistet, die durch die Elektronik bedingt sind und insbesondere zu Änderungen des Tastverhältnisses der umge­ setzten impulsförmigen Signale führen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 bzw. 3 gelöst. Danach wird gegenüber dem zitierten Stand der Technik sowohl bezüglich der stets im belasteten wie im unbelasteten Fall zusätzlich vorgegebenen Phasenverschie­ bungen der aufgenommenen Signale als auch bezüglich deren Verknüpfung ein anderer Weg beschritten. So werden die bei­ den Signale in jeweils einer der beiden Ebenen, deren rela­ tive Verdrehung zu messen ist, mit einer von 180° verschie­ denen Phasendifferenz aufgenommen. Demgegenüber wird zwi­ schen den Signalen der beiden verschiedenen Ebenen eine an­ dere, jedoch ebenfalls von 180° verschiedene Phasendiffe­ renz vorgegeben.

Die erfindungsgemäße Äquivalenz- oder Antivalenzverknüpfungen, die jeweils zunächst für die Signale einer Ebene, und an­ schließend erst für die verknüpften Signale beider Ebenen durchgeführt werden, liefern ein fehlerfrei gemessenes Drehmoment sowohl mit Kompensation von mechanischen Ein­ flüssen ohne Tastverhältnisänderung als auch von Einflüssen auf die Sensoren und die nachgeschaltete Elektronik mit Tastverhältnisänderung in den zu verknüpfenden Impulssigna­ len.

Somit sind nicht nur die Verknüpfungsfunktion sondern auch Zuordnung und Reihenfolge der Verknüpfungen anders als beim Stand der Technik. Tritt eine Offset-Verschiebung in einem der Meßsignale und im umgesetzten Impulssignal auf, so macht sich diese in der Impulsbreite des mit dem Signal des Sensors derselben Ebene gebildeten Verknüpfungssignal ein­ mal vergrößernd einmal verringernd bemerkbar. Ähnlich wie bei mechanischen Verlagerungen ergeben sich dann im endgül­ tigen Verknüpfungssignal positive und negative Beiträge, die sich im Mittelwert des Signals kompensieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert nicht nur fehlerfrei gemessene Drehmomente, sondern ist auch einfach ausführbar. So werden auch lediglich vier in zwei Ebenen anzuordnende Sensoren benötigt. Hierbei kann es sich z.B. um Differenti­ alfeldplatten handeln, die mit Geberrädern z.B. in Form von Zahnrädern an der Welle zusammenwirken. Daneben sind jedoch zahlreiche andere Geber/Sensorkombinationen wie beispiels­ weise eine Kombination zur optischen Erfassung zweier auf der Welle ausgebildeter Musterkränze einsetzbar. In beiden Ebene werden die sich zur Erfassung von Wellenverlagerungen zweckmäßigerweise ungefähr gegenüberliegenden Sensoren win­ kelmäßig so gegeneinander verschoben, daß sich eine von 180° verschiedenen Phasendifferenz für die aufgenommenen Si­ gnale ergibt. Um die geforderte Verschiebung der Sensorsi­ gnale von einer Ebene zur anderen zu erzielen, kann wahl­ weise eine winkelmäßige Versetzung der Sensoren oder auch eine entsprechende Versetzung des Gebermusters von einer Ebene zu anderen erfolgen. Vorzugsweise vorzugebende Pha­ sendifferenzen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Auch die erfindungsgemäße Verknüpfung erfordert keinen ge­ steigerten Aufwand. Es bieten sich sogenannte als inte­ grierte Schaltungselemente erhältliche EXOR-Glieder zur Er­ zielung der vorgeschriebenen Verknüpfungen an. Auch Multi­ plikatoren können verwendet werden, da sie die Äquivalenz­ funktion erfüllen und bei Übereinstimmung der Pegel der zu­ geführten Signale einen hohen Pegel und bei Nichtüberein­ stimmung einen niedrigen Pegel liefern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen nä­ her erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fig. 1A), wobei in Fig. 1B ein Blockschaltbild der zugehörigen Schaltungsanordnung darge­ stellt ist, und

Fig. 2 die Signalverläufe in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1B bei Aufbringen eines Moments (Fig. 2A), bei Verlage­ rung der Welle (Fig. 2B) und bei Offsetüberlagerung in einem der Signale (Fig. 2C).

In Fig. 1A sind vier Sensoren 1, 2, 3 und 4 z.B. in Form von Differentialfeldplatten vorgesehen. Ferner sind zwei Geber­ räder 5 und 6 in Form von Zahnrädern jeweils an den beiden beabstandeten Punkten der Welle W befestigt, zwischen denen die drehmomentproportionalen Verdrehungen der Welle gemes­ sen werden sollen. Anstelle der Geberräder kann z.B. auch direkt auf der Welle an diesen beiden Punkten ein kranzför­ miges periodisches Muster aufgebracht und mit andersartigen Sensoren erfaßt werden.

Jeweils zwei der Sensoren (1 und 3 bzw. 2 und 4) sind in einer Ebene leicht beabstandet zu einem der beiden Zahnrä­ der ungefähr einander gegenüberliegend angeordnet. Die ge­ naue relative Orientierung der Sensoren einer Ebene ist so eingestellt, daß die von den Sensoren gelieferten Signale S 1 und S 3 bzw. S 2 und S 4 jeweils mit einer vorbestimmten von 180° verschiedenen Phasendifferenz aufgenommen werden. D.h. die Zähne werden von den Sensoren einer Ebene durch eine entsprechende winkelmäßige Verschiebung der beiden Sensoren mit einer vorgegebenen Phasendifferenz erfaßt.

Die Sensoren 2 und 4 sind gegenüber den Sensoren 1 und 3 der in der Figur linken Ebene winkelmäßig versetzt angeord­ net. Die genaue Versetzung wird so eingestellt, daß die Si­ gnale S 1 und S 3 gegenüber den Signalen S 2 und S 4 mit einer vorgegebenen Phasendifferenz aufgenommen werden, die von der Phasendifferenz unter den Sensoren innerhalb einer Ebene und auch von 180° verschieden ist. D.h. auch in die­ sem Fall erfolgt die Erfassung der Zähne im belasteten wie im unbelasteten Fall mit einer zusätzlichen festen Phasen­ differenzvorgabe. Statt die Sensoren S 2 und S 4 gegenüber den Sensoren S 1 und S 3 winkelmäßig zu versetzen, können auch alternativ die Zahnräder 5 und 6 gegeneinander ent­ sprechend verdreht befestigt werden. Die Versetzung der Sensoren des Rades 6 gegenüber denen des Rades 5 ist in der Zeichnung nur prinzipiell angedeutet. Ferner ist auf die Darstellung einer Halterung für die feststehend gegenüber der Welle und den Zahnrädern angeordneten Sensoren verzich­ tet worden. Es eignet sich z.B. eine zylinderförmige Halte­ rungsstruktur.

Die von den Sensoren 1, 2, 3 und 4 gelieferten Signale wer­ den wie in Fig. 1B angedeutet verstärkt und über Impulsfor­ merstufen in Form von Komparatoren in rechteckförmige Im­ pulssignale S 1′, S 2′, S 3′ und S 4′ umgesetzt, deren Verläufe in den Fig. 2A, 2B und 2C dargestellt sind. Die Verknüpfung der Signale S 1′ und S 3′ bzw. S 2′ und S 4′ einer Ebene er­ folgt über EXOR-Glieder 7 und 8, wobei sich Signale S 1′′ und S 2′′ ergeben, deren Verläufe ebenfalls dargestellt sind. Die derart verknüpften Signale S 1′′ und S 2′′ werden über ein weiteres EXOR-Glied 9 verknüpft, dessen Ausgangs­ signal S _EXOR in an sich bekannter Weise gemittelt wird, um das drehmomentproportionale Ausgangssignal zu gewinnen. Auf die Darstellung einer entsprechenden Schaltung, wie sie z.B. aus der eingangs erwähnten Schrift bekannt ist, ist verzichtet worden.

Im Bild 2A ist der Signalverlauf für den Fall eines aufge­ brachten Moments dargestellt. Die relative Orientierung der Sensoren 1 und 3 bzw. 2 und 4 wurde so gewählt, daß die re­ lative Phasenschiebung der Signale S 1′ und S 3′ bzw. S 4′ und S 3′ einer Ebene jeweils 90° beträgt. Ferner sind S 1′ und S 3′ gegenüber S 2′ und S 4′ um 45° verschoben. Diese Werte des Ausführungsbeipiels sind zweckmäßig, jedoch nicht not­ wendig. Auch für andere voneinander und von 180° verschie­ dene Phasendifferenzen ergeben sich in den Fig. 2A, B und C die im folgenden dargelegten Ergebnisse. Beim Aufbringen eines Moments ändert sich die Phase von S 1 und S 3 in gleichem Maße gegenüber S 3 und S 4 (gestrichelt dargestellt). Die Verknüpfung, die bei gleichem Pegel der verglichenen Signale jeweils einen 1-Wert oder einen hohen Wert ergibt, liefert bei dieser gleichsinnigen Phasenschie­ bung einen positiven Beitrag (jeweils mit + angedeutet) in S _EXOR zu jedem Impuls, so daß der Mittelwert dieses Signals sich proportional dem Wert der Phasenschiebung erhöht.

Liegt eine Verlagerung der Welle bei den Sensoren 1 und 3 vor (Fig. 2B), so verschiebt sich die Phase der zugehörigen Signale S 1′ und S 3′ in entgegengesetzte Richtung bezüglich der Signale S 2′ und S 4′. S 1′′ ändert sich jeweils an beiden Flanken eines Impulses und das Endsignal S _EXOR zeigt ab­ wechselnd einen positiven und negativen Beitrag zu Impuls­ breite, die sich im Mittelwert kompensieren.

Bei Vorliegen eines Gleichspannungsoffsets im Signal S 1 - bedingt durch dessen Aufnahme oder Nachverstärkung - ergibt sich ein geändertes Tastverhältnis in S 1′ (Fig. 2C). Nach Vergleich mit dem Signal S 3′ des Sensors 3 ergeben sich im Signal S 1′′ abwechselnd einmal eine Verbreiterung und ein­ mal eine Verschmälerung der Impulse. Bei Verknüpfung mit S 2′′ ergeben sich in S _EXOR abwechselnd bei jedem zweiten Impuls ein positiver und ein negativer Beitrag, die sich wiederum herausmitteln.

Im Ausführungsbeispiel wurden die drei Fälle wirkendes Drehmoment, mechanische Verlagerung der Welle und Offset­ überlagerung der Übersichtlichkeit halber getrennt behan­ delt. Es ist jedoch unmittelbar klar, daß sich auch bei gleichzeitigem Vorliegen mehrerer bzw. sämtlicher dieser Einflüsse die gewünschten Wirkungen ergeben.

Die vorgegebenen Phasendifferenzen von ungefähr 45° und 90° sind insofern zweckmäßig, daß jeweils eine halbe Impuls­ breite für positive und negative Phasenverschiebungen zur Verfügung steht. Je nach den aufgebrachten Drehmomenten können sich jedoch auch andere Werte als geeigneter erwei­ sen.

Claims (6)

1. Verfahren zur fehlerfreien Drehmomentmessung an einer Welle über die Bestimmung der durch ein wirkendes Drehmo­ ment hervorgerufenen relativen Verdrehung zwischen zwei be­ abstandeten Punkten der Welle durch jeweils gleichzeitige Aufnahme von zwei die Rotation der Welle mit gegeneinander verschobener Phase wiedergebenden Meßsignalen in einer zur Welle senkrechten Ebene sowohl durch den einen als auch durch den anderen der beiden Punkte der Welle, durch Umset­ zen der vier Meßsignale in phasenmäßig entsprechende Rechteckschwingungssignale, durch schaltungsmäßiges Ver­ knüpfen jeweils zweier dieser Rechteckschwingungssignale und durch anschließendes Verknüpfen der beiden so gewon­ nenen verknüpften Signale in der Weise, daß der Mittelwert des Verknüpfungssignals sämtlicher Rechteckschwingungssi­ gnale das Drehmoment anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßsignale einer Ebene gegenüber den Meßsi­ gnalen der anderen Ebene durch den anderen Punkt der Welle mit einer vorgegebenen von der Phasenverschiebung für die Aufnahme der Meßsignale in einer Ebene verschiedenen Pha­ sendifferenz phasenverschoben aufgenommen werden, wobei beide Phasendifferenzen von 180° verschieden sind, und daß zunächst die Rechteckschwingungssignale jeweils einer Ebene und anschließend die verknüpften Signale beider Ebenen durch eine Äquivalenz- oder Antivalenzfunktion miteinander verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige phasenverschobene Aufnahme der Meßsi­ gnale einer Ebene jeweils mit ungefähr 90° erfolgt und daß die gleichzeitige phasenverschobene Aufnahme der Meßsignale einer Ebene zu der der anderen Ebene mit ungefähr 45° er­ folgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit vier Sensoren, von denen jeweils zwei unter vorgegebenen Winkelabständen in einer zur Welle senkrechten Ebene sowohl durch den einen als auch durch den anderen der beiden Punkte der Welle bezüglich dieser feststehend ange­ ordnet sind und sich synchron mit der Welle bewegende peri­ odisch wiederholte Muster in diesen beiden Ebenen erfassen, mit Einrichtungen zum Umsetzen der Sensorsignale in phasen­ mäßig entsprechende Rechteckschwingungssignale und mit Ver­ knüpfungsschaltungen zum Verknüpfen von jeweils zwei der Rechteckschwingungssignale und der beiden so gewonnenen verknüpften Signale zu einem Verknüpfungssignal, dessen Mittelwert das Drehmoment anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (1, 3) einer Ebene zu den beiden Sensoren der anderen Ebene (2, 4) derart winkelmäßig ver­ setzt angeordnet sind, daß die resultierende Phasendiffe­ renz zwischen den Meßsignalen der verschiedenen Ebenen an­ ders als die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen je­ weils einer Ebene ist, wobei beide Phasendifferenzen von 180° verschieden sind, und daß die Verknüpfungsschaltungen (7, 8, 9) Schaltungen sind, die die ihnen zugeführten Signale einer Äquivalenz- oder Antivalenzverknüpfung unterziehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand der Sensoren (1, 3 und 2, 4) innerhalb der beiden Ebenen so eingestellt ist, daß die für die Auf­ nahme der Signale vorgegebene Phasendifferenz jeweils unge­ fähr 90° beträgt, und daß die winkelmäßige Versetzung der Sensoren der einen Ebene zu denen der anderen Ebene so ge­ wählt ist, daß die für die Aufnahme der Signale vorgegebene Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen der verschiedenen Ebenen ungefähr 45° beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltungen (7, 8, 9) Exklusiv-ODER-Glie­ der sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Sensoren (1 und 3 oder 2 und 4) einer Ebene deren periodisches Muster gegenüber dem Muster der anderen Ebene winkelmäßig versetzt ist.