DE4434978A1 - Aktiver Bewegungssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sensorische Elemente zur Erfassung von Ortsverschiebungen, Bewegungsgeschwindigkeiten und Drehzahlen im Bereich des Maschinenbaus, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, hierbei vorwiegend im Anwendungs­ bereich geregelter Bremsen, zur Erfassung von Raddrehzahlen.

Sensorische Vorrichtungen zur Erfassung von Raddrehzahlen sind bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einem inkrementalen Encoder, der mechanisch mit dem sich drehenden Teil verbunden ist, und einem Sensor, der diesen Encoder berührungslos abtastet. Als Encoder werden ferromagnetische Zahnräder oder ferromagnetische Scheiben verwendet. Bei Anwendungen in Radlagern ist es auch bekannt, magentisierte Strukturen zu verwenden, z. B. eine ring- oder kreisförmige Anordnung aufeinander folgender Nord- und Südpole, eingebettet in einen mechanischen Träger.

Die gegenwärtig größte Verbreitung haben sogenannte "passive" Sensoren nach dem Reluktanzprinzip. Sie bestehen aus der Kombination einer Kupferspule mit einem Permanentmagneten, der magnetisch an den Encoder gekoppelt ist. Der Encoder moduliert bewegungssynchron die magnetische Koppelreluktanz, wobei in die Kupferspule nach Art eines Dynamos eine bewegungssynchrone Wechselspannung induziert wird, deren Frequenz als Meßgröße ausgewertet wird. Die induzierte Signalspannung verschwindet bei Stillstand und nimmt bei großen Geschwindigkeiten unter Umständen gefährlich hohe Werte an.

Um solch hohe Spannungen zu vermeiden, wurden Sensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entwickelt, sogenannte "aktive" Sensoren. Derartige Sensoren sind bespielsweise in der DE 41 35 789 A1 beschrieben. Sie bestehen aus der Kombina­ tion einer magnetostatisch empfindlichen Elementes mit einem Permanentmagneten, der magnetisch an den Encoder gekoppelt ist. Der Encoder moduliert auch hierbei bewegungssynchron die magnetische Koppelreluktanz oder im Fall des magnetisierten Encoders die Feldrichtung, wobei das Sensorelement jeweils auf die Änderungen der Flußdichte bzw. auf die Bewegung eines Feldvektors anspricht. Bekannte Beispiele solcher Grundelemente sind Hall-Sonden oder magnetoresistive Permalloy-Strukturen. Die Signalamplitude solcher aktiver Sensoren ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Encoders. Aktive Sensoren setzen zu ihrem Betrieb eine elektrische Energie voraus, welche von einem elektronischen Regler her erfolgt. Hierbei sind Techniken mit 3-Leiter-Zuführung und solche mit 2-Leiter-Zuführungen bekannt. Die 3-Leiter-Version liefert eine Signalspannung an den Eingang des elektronischen Reglers, während die 2-Leiter-Version einen Signalstrom liefert.

Gegenwärtig ausgeführte aktive Sensoren beschränken die von ihnen verfügbare sensorische Information auf einen einzigen Parameter, die Signalfrequenz. Durch eine interne Verstärker- Triggerschaltung wird im Bereich eines definierten zulässigen Luftspaltes zwischen Sensor und Encoder - unabhängig von der Größe dieses Luftspaltes - ein binäres Ausgangssignal mit zwei konstanten Amplitudenwerten generiert, deren Flankenwechsel ausgewertet werden. Das Signal läßt keinen Rückschluß auf den eingestellten Wert zu, setzt aber mit Überschreiten der zulässigen Luftspaltdicke schlagartig aus, da dann eine senso­ rinterne Hystereseschwelle vom induzierten sinusförmigen Eingangssignal unterschritten wird und der Sensor nicht mehr anspricht.

Zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Einbaulage des Sensors unter Einhaltung der zulässigen Luftspaltdicke wurde daher in der DE 40 33 064 A1 eine Vorrichtung zur Einstellung der Luftspaltdicke vorgeschlagen. Der Sensor befindet sich in einer hülsenartigen Halterung und wird von einer Druckfeder mit einem Flansch gegen einen entsprechenden Flansch der Halterung in Richtung auf den Encoder gedrückt. Der Flansch des Sensors ist mit einer Mehrzahl gleichartiger axialer Zähne versehen, während der Flansch der Halterung zwei Gruppen von axialen Vertiefungen aufweist, die jeweils in ihrer Anzahl der Zähnezahl entsprechen. Bei der Montage des Sensors befinden sich seine Zähne in der Gruppe der tieferen Vertiefungen und der Einbau der Halterung erfolgt so, daß der Sensor zunächst mit dem Encoder in Berührung steht. Danach werden die Zähne in die Gruppe der flacheren Vertiefungen eingerastet, so daß eine definierte Luftspaltdicke zwischen Sensor und Encoder eingestellt ist. Nach Abschluß der Montage läßt sich die korrekte Einbaulage nicht verifizieren.

Wird eine aktiver Sensor durch Einbaufehler ungewollt an der Grenze seines maximal zulässigen Luftspaltes betrieben, kann eine ausreichend große dynamische Verformung der Kinematik zwischen Sensor und Encoder den Luftspalt unter Umständen derart vergrößern, daß die zulässige Luftspaltdicke überschritten wird und das Ausganssignal aussetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Luftspaltdicke auch noch nach Montage des Sensors überprüfbar zu machen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Durch Umschaltung von einer ersten auf eine zweite Hystereseschwelle, welche höher liegt als die erste Hystereseschwelle kann erkannt werden, ob die Eingangssignale stark genug sind, um auch eine höhere Hystereseschwelle zu überwinden. Wenn auch nach Umschaltung auf die zweite Hystereseschwelle noch Ausgangssignale erzeugt werden, kann davon ausgegangen werden, daß auch unter Berücksichtigung dynamischer Achsverformungen, die den Luftspalt vergrößern, eine ordnungsgemäße Funktion gewährleistet ist.

Als Betätigungsmittels für eine solche Hystereseumschaltung kommen verschiedene Maßnahmen in Betracht. Wenn diese Umschaltung durch Erhöhung der Betriebsspannung des Sensors bewirkt wird, sind keine besonderen Software-Maßnahmen im Regler oder in einem Wartungsgerät erforderlich. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Überprüfung der Luftspaltdicke nur im Rahmen einer Fahrzeugwartung vorgenommen werden soll.

Soll der elektronische Regler selbsttätig eine Überprüfung der Luftspaltdicke vornehmen, so empfiehlt sich die Ansteuerung des Sensors mit seriellen bit-Muster-Spannungen, da auf diese Weise auch während solcher Testzyklen keine überhöhten Versorgungsspannungen erforderlich sind.

Besonders einfach wird die Zurückschaltung auf die erste Hystereseschwelle, mit welcher der Sensor die Erfassung der Bewegung durchführen soll, dadurch erzielt, daß der Sensor selbsttätig zurückschaltet. Dies kann nach einer gewissen Zeitspanne erfolgen, welche zur Überprüfung der Luftspaltdicke ausreicht, oder aber sofort nach Wegfall eines Signales, welche die Umschaltung auf die zweite Hystereseschwelle bewirkt.

Aus Sicherheitsgründen ist auch eine Zurückschaltung vorgesehen, wenn der Encoder eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht.

Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens erfolgt nun anhand von zwei zweiteiligen Figuren.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung auf Encoder, Sensor und Regler sowie ein Diagramm zum zeitlichen Ablauf des an den elektronischen Regler abgegebenen Ausgangssignals,

Fig. 2 je ein Diagramm mit ausreichend großem und mit unzureichendem Eingangssignal.

Fig. 1a zeigt die Anordnung eines aktiven Sensors 6, der an einen elektronischen Regler 7 über eine 2-Draht-Verbindung angeschlossen ist. Der Sensor 6 wird vom Regler 7 mit der Betriebsspannung V_B über pin 1 gegen pin 3 versorgt und liefert über pin 2 einen Signalstrom I_S an den Regler zurück.

Mit d ist die Luftspaltdicke zwischen dem Sensor 6 und einem Encoder 5 bezeichnet. Der Encoder 5 ist in der Darstellung der Einfachheit halber als Zahnrad dargestellt, kann jedoch auch von benachbarten magnetischen Nord- und Südpolen gebildet werden. Die Luftspaltdicke d ist ausschlaggebend dafür, ob ein Signalstrom I_S gemäß Fig. 1b entsteht. Die Kurve des Signalstromes I_S, welcher als Ausgangssignal vom Sensor 6 an den Regler 7 weitergegeben wird, ist rechteckförmig, wobei eine Umschaltung zwischen den unterschiedlicher Niveaus jeweils dann erfolgt, wenn ein durch den Encoder 5 im Sensor 6 induziertes Eingangssignal eine bestimmte Hystereseschwelle übersteigt. Wird diese Hystereseschwelle nicht überschritten, erfolgt keine Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Niveaus des Signalstroms I_S. Eine Information über die Geschwindigkeit des Encoders 5 kann also nicht mehr abgeleitet werden. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Luftspaltdicke d so groß ist, das kein ausreichendes Eingangssignal erzeugt wird. Aber selbst wenn ein ausreichendes Eingangssignal gerade noch erzeugt wird, kann eine dynamische Verformung dazu führen, daß die Luftspaltdicke d zumindest vorübergehend eine zulässigen Wert überschreitet, so daß kein ausreichendes Eingangssignal mehr entsteht. Dies läßt sich aber anhand der Signalhöhe des Ausgangssignals in Form des Signalstroms I_S nicht feststellen.

Gemäß Fig. 2 ist deshalb vorgesehen, eine Umschaltung der Hystereseschwelle vornehmen. Die maximal zulässige Luftspaltdicke d ist nämlich eine Funktion der sensorinternen Hysteresespannung. Während des Betriebs zur Geschwindigkeitserfassung des Encoders 5 hat der Sensor 6 eine erste Hystereseschwelle, die Betriebshysteresespannung V₁. Um sicherzustellen, daß das Eingangssignal, nämlich die Signalspannung V_S groß genug ist, um auch bei durch dynamische Verformungen bewirkte Vergößerungen der Luftspaltdicke d eine Information über die Encodergeschwindigkeit sicherzustellen, wird vorübergehend der Sensor 6 auf eine zweite Hystereseschwelle, die Testhysteresespannung V₂ umgeschaltet.

Sowohl in Fig. 2a als auch in Fig. 2b überschreitet die Signalspannung V_S die erste Hystereseschwelle, die Betriebshysteresespannung V₁, so daß in beiden Fällen ein Signalstrom I_S entsteht. Bei einer Umschaltung auf die Testhysteresespannung V₂ zeigt sich aber, daß sich bei einer Signalspannung V_S gemäß Fig. 2b kein Ausgangssignal mehr ableiten läßt. Es fehlen hier die Schnittpunkte mit den eingezeichneten Schwellenwerten der Testhysteresespannung V₂. Die zweite Hystereseschwelle wird also nicht überschritten, so daß daraus der Rückschluß gezogen werden kann, daß die Luftspaltdicke zu wenig Reserven aufweist, um auch bei dynamischer Verformung ein Ausgangssignal zu sichern. In Fig. 2a hingegen ist die Signalspannung V_S groß genug. Auch nach Umschaltung auf die Testhysteresespannung V₂ ergibt sich - abzulesen aus den Schnittpunkten mit der zweiten Hystereseschwelle -, daß Sensor 6 und Encoder 5 dicht genug beieinander angeordnet sind, um auch bei Verformungen stets ein Ausgangssignal in Form des Signalstromes I_S sicherzustellen.

Das Verhältnis von Betriebshysteresespannung V₁ zur Testhysteresespannung V₂ ist gegeben durch den Grad der zu erwartenden dynamischen Verformung und der damit verbundenen Vergrößerung der Luftspaltdicke d. In diesem Falle beträgt es etwa 0,7.

Die Hystereseumschaltungen können elektronisch über die Zuleitungen zum Sensor 6 gesteuert werden. In diesem Beispiel ist dies über eine oder beide der Verbindungsleitungen zwischen Sensor 6 Regler 7 möglich. Techniken zur Durchführung dieser Prozedur sind aus der Vermittlungstechnik, der Daten- Bus-Technik und dem Ansprechen von Busteilnehmern über serielle Schnittstellen her bekannt. So kann beispielsweise die Betriebsspannung V_b kurzfristig um ein Vielfaches überhöht werden, um einen Umschaltvorgang von der Betriebshysteresespannung V₁ auf die Testhysterespannung V₂ zu veranlassen, die dann nach einer begrenzten Zeit selbsttätig von V₂ auf V₁ zurückkippt. Es ist aber auch möglich, eine oder beide Zuleitungen zum Sensor 6 mit seriellen bit-Muster- Spannungen anzusteuern, um die Umschaltvorgänge zwischen Betriebshysterespannung und Testhysteresespannung vorzunehmen. Die Zurückhaltung auf die Betriebshysteresespannung V₁ kann dann bei Wegfall der Ansteuersignale erfolgen. Außerdem ist vorgesehen, daß derartige Testzyklen immer dann abgebrochen werden, wenn der Encoder 5 eine bestimmte Drehzahl überschreitet, damit durch die erhöhte Testhysteresespannung V₂ nicht die eigentliche Zweckerfüllung des Sensors 6 beeinträchtigt wird. Die Steuerung kann entweder vom Regler 7 aus oder von einem separaten Prüfgerät aus erfolgen.

Claims (7)

1. Aktiver Sensor (6) zur Erfassung von Ortserschiebungen, Bewegungsgeschwindigkeiten oder Drehzahlen eines Encoder (5), wobei zur Entstehung eines vom Encoder (5) induzierten Eingangssignals (IS) im Sensor eine definierte zulässige Luftspaltdicke (d) zwischen Sensor (6) und Encoder (5) nicht überschritten werden darf, da sonst eine erste sensorinterne Hystereseschwelle (V₁) nicht überschritten wird, und wobei der Sensor (6) an einen elektronischen Regler (7), von welchem er mit einer Betriebsspannung (V_b) versorgt wird, Ausgangssignale (I_S) weitergibt, deren Amplitude geschwindigkeitsunabhängig ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Umschaltung der ersten Hystereseschwelle (V₁) auf mindestens eine zweite Hystereseschwelle (V₂) die betragsmäßig größer ist als die erste.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung durch Veränderung der Betriebsspannung (V_B) durchführbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung durch Ansteuerung des Sensors (6) mit seriellen bit-Muster-Spannungen durchführbar ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) von der zweiten (V₂) auf die erste Hysteresespannung (V₁) selbsttätig zurückschaltet.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückschaltung nach einer definierten Zeitspanne nach der Umschaltung erfolgt.

6. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückschaltung bei Wegfall von Umschaltsignalen erfolgt.

7. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückschaltung bei Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit des Encoders (5) erfolgt.