DE4341405A1 - Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen - Google Patents

Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen

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DE4341405A1
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Franz-Josef Op Den Winkel
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen.
Bekannt ist eine Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen, bei der gegenüber einem Zahnrad als Geber ein Permanentmagnet als induktiver Sensor positio­ niert ist. Dieser Permanentmagnet hält einen magneti­ schen Fluß im magnetischen Kreis aufrecht. Die Größe des magnetischen Flusses hängt von der Energiedichte und der Dimensionierung des Magneten sowie dem Maßabschnitt im magnetischen Kreis ab. Eine Reduzierung des Luftspaltes zwischen den Polkernen des induktiven Gebers und den Im­ pulsen des Zahnrades reduziert damit diesen Abschnitt und läßt den magnetischen Fluß anwachsen. Hierdurch wird eine Spannung induziert, in die ein Maß für die Umdre­ hung des Zahnrades bzw. einer dieses tragende Welle ist.
Nachteilig ist, daß sich mit solchen induktiven Gebern allein keine Position der Welle bei Drehzahlen nahe null Umdrehungen pro Minute erfassen läßt.
Bekannt ist weiterhin ein Hall-Sensor-IC, das nach dem Differenzprinzip die Bewegung zweier unterschiedlichen Positionen feststellt. Gemessen wird dabei die Differenz der Flußdichte des magnetischen Feldes. Das daraus gewon­ nene Signal wird entsprechend aufbereitet.
Dieses Differenzprinzip hat allerdings den Nachteil, daß, wenn keine Differenz für das Mall-Sensor-IC er­ scheint, das Signal nicht definiert ist. Das ist sowohl für eine Lücke als auch für einen ausgedehnten Zahn der Fall und führt dazu, daß eine genaue Positionserkennung mit dem Hall-Sensor-IC nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei einer Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen der eingangs genannten Art zu beseitigen, und eine Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen zu schaffen, die eine Posi­ tionserkennung bei Drehzahlen nahe null Umdrehungen pro Minute ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit
  • - einem Hall-Sensor-IC und
  • - einem sich vor dem Hall-Sensor-IC drehenden Impulsrad, an dessen im wesentlichen kreisrunden Peripherie asym­ metrisch Zähne angeordnet sind, wodurch durch eine elektronische Auswertung nach wenigstens zwei gemes­ senen Zähnen und höchstens 140° Drehwinkel die Posit­ ion der mit dem Impulsrad verbundenen Welle bestimmbar ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß durch die Form der Zähne möglich ist, durch einen Hall-Sensor-IC jeden Zahn sicher und exakt erkennen zu können. Durch eine asymmetrische Verteilung der Zähne wird es möglich, die Position des Rades zu be­ stimmen. Nach maximal zwei Zähnen ist die Position somit eindeutig bestimmbar und nach maximal 140° Drehwinkel die Position erkannt. Durch die elektronische Auswertung ist nach zwei gemessenen Zähnen die Position einer Welle zu erkennen.
Vorteilhaft ist es, wenn auf der Peripherie asymmetrisch 4 Zähne angeordnet sind. Mit 5 und mehr Zähnen ist der Auswerte­ winkel <180°. Nach oben hin ist die Anzahl der Zähne lediglich durch die Möglichkeiten der elektronischen Aus­ werteeinheit begrenzt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Anzahl der Zähne weiter abzusenken. Hierbei ist zu entscheiden, ob der Anwendungsfall mit der Genau­ igkeit eines so gewonnenen Meßergebnisses im konkreten Fall auskommen kann.
Vorteilhaft ist es, wenn die Zahnräder in etwa ∼2,3 mm breit sind. Die besondere Dimensionierung der Zähne ent­ spricht damit den Anforderungen, die der eingesetzte Hall-Sensor-IC an das zu messende Objekt stellt. Selbst­ verständlich sind auch hier geringfügige Abweichungen möglich und notwendig, um die Position einer fast ste­ henden Welle sicher erkennen zu können. Die Zähne soll­ ten in ihrer Form Kettenzähnen ähneln, da durch diese Form ein exakter Schaltpunkt sichergestellt wird.
Durch die Auswertung des Puls/Pause-Verhältnisses ist es möglich, nach dem zweiten erkannten Zahn die Position zu erkennen. Dabei gibt der Puls die Winkelgeschwindigkeit an, und die Pause den Winkel zwischen den Zähnen.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen besteht aus einem Hall-Sensor-IC 1, das gegenüber einem Impulsrad 2 positioniert ist. Im Hall-Sensor-IC 1 muß zur Erzeugung eines magnetischen Feldes ein Magnet integriert sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Magnet separat, z. B. hinter dem Hall-Sensor-IC 1, als Magnet 10 zu positionieren. Das Impulsrad 2 ist auf einer nicht dargestellten Welle befestigt. Es besteht aus einem weichmagnetischen Werkstoff und hat einen Durchmesser d. Auf seiner kreisrunden Peripherie 3 sind Zähne 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 und 4.5 asymmetrisch angeordnet. Der Winkel zwischen dem Zahn 4.1 und 4.2 beträgt 20°, der Winkel zwischen dem Zahn 4.2 und 4.3 40°, der Winkel zwischen dem Zahn 4.3 und 4.4 60°, der Winkel zwischen dem Zahn 4.4 und 4.5 100° und der Winkel zwischen dem Zahn 4.5 und 4.1 140°. Die Optimierung der einzelnen Winkel zwischen den Zähnen 4.1, . . . 4.5 ist dabei in Abstimmung mit der jeweiligen Motorelektronik vorzunehmen. Die Breite jedes einzelnen Zahns 4.1, 4.5 beträgt etwa ∼2,3 mm. Bei der Breite der Zähne 4.1, . . . 4.5 wurden die Möglichkeiten des Hall-Sensor-IC 1 be­ rücksichtigt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Anzahl der Zähne 4.1, . . . 4.5 zu reduzieren oder ihre Anzahl zu er­ höhen oder den Winkel zwischen ihnen zu verändern. Im Rahmen ausgedehnter Versuche wurde festgestellt, daß die Anzahl der Zähne wenigstens vier betragen sollte, um genaue und vergleichbare Meßergebnisse zu erhalten.
Dreht sich das Impulsrad 2 vor dem Hall-Sensor-IC 1, ver­ ändert sich zwischen diesem und dem Impulsrad 2 der Luft­ spalt. Dreht sich also einer der Zähne 4.1, . . . 4.5 an dem Hall-Sensor-IC 1 vorbei, erhöht sich aufgrund des schmaler werdenden Luftspaltes der magnetische Fluß. Die dabei wirkende Impulsspitze der Hallspannung wird durch die Breite der Zähne 4.1, . . . 4.5 und die Winkelgeschwin­ digkeit des Impulsrades bestimmt. Durch die asymmetri­ sche Verteilung der Zähne 4.1, . . . 4.5 auf der Periphe­ rie 3 ist die Möglichkeit gegeben, durch eine elektro­ nische Auswertung bereits nach zwei gemessenen Zähnen die Position einer Welle zu erkennen. Möglich ist das z. B. durch einen Zeitvergleich (Puls:Pause) oder noch ge­ nauer durch einen Vergleich zwischen dem Winkel der sich drehenden Welle, der durch einen Wellengeber sowieso in einem Kraftfahrzeug ausgewertet wird und dem Zeitverlauf der Nockenwellenimpulse. Nach maximal 140° Drehwinkel ist die Position erkannt.
Durch die besondere Ausgestaltung der elektronischen Aus­ wertung (Rechner) wird die Anzahl der Zähne 4.1, . . . 4.5 nach oben begrenzt. Je größer die Verarbeitungsmöglich­ keiten der Auswerteeinheit sind, um so eine größere Zahl von Zähnen 4.1, . . . ist auf dem Impulsrad positionier­ bar. Der Durchmesser d des Impulsrades 2 kann den jewei­ ligen Einsatzbedingungen entsprechend angepaßt werden. So werden geometrisch sehr kleine Zähne 4.1, . . . und durch ihre asymmetrische Verteilung auf der kreisrunden Peripherie 3 des Impulsrades 2 bereits nach maximal zwei Zähnen die Position bestimmbar und nach maximal 140° Drehwinkel, d. h. nicht einmal nach einer halben Umdre­ hung, die Position einer fast stehenden Welle eindeutig erkannt.
Bezugszeichenliste
 1 Hall-Sensor-IC
 2 Impulsrad
 3 Peripherie
 4.1, . . . 4.5 Zahn
10 Magnet
d Durchmesser

Claims (3)

1. Anordnung zur Erfassung der Position rotierender Wellen, mit
  • - einem Hall-Sensor-IC (1) und
  • - einem sich vor dem Hall-Sensor-IC (1) drehenden Im­ pulsrad (2), an dessen im wesentlichen kreisrunden Peripherie (3) asymmetrisch Zähne (4.1, . . . 4.5) angeordnet sind, wodurch durch eine elektronische Auswertung nach wenigstens zwei gemessenen Zähnen und höchstens 140° Drehwinkel die Position der mit dem Impulsrad (2) verbundenen Welle bestimmbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Peripherie (3) asymmetrisch 4 Zähne (4.1, . . . 4.5) angeordnet sind.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (4.1, . . . 4.5) in etwa 2,3 mm breit sind und Kettenzähnen ähneln.
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