SE531497C2 - Metod och anordning för uppmätning av upplinjeringsfel av axlar - Google Patents

Description

25 30 531 497 placeras på den andra kopplingsdelen och medel för att avläsa ett vinkelfel och offset-fel oberoende av varandra under axlarnas rotation on-line. System innefattar dessutom en referenssensor för bestämning av nämnda vinkelfels- och offsetfelsorientering relativt en känd riktning.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA l det följande beskrives uppfinningen med hänvisning till ett antal icke begränsande utföringsformer illustrerade i närslutna ritningar, i vilka: Fig. 1 Fig. 2 visar ett utförande av en axeluppmätningsanordning enligt uppfinningen, visare ett typiskt utseende av hur magnetfältet varierar med avståndet rakt ut från en magnet.

Fig. 3 visar ett typiskt utseende hur topp till toppvärdet för signal från känslighetsriktning 1 varierar med absolutvärdet av vinkelfelet.

Fig. 4 Fig. 5 visar offsetfel och sensorsystemet enligt uppfinningen, visar typiskt utseende hur topp till toppvärdet för signal från kånslighetsriktning 2 varierar med absolutvärdet av offsetfelet.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Uppriktningsfelet av axelkopplingen kan delas upp i ett vinkelfel och ett offsetfel. I det följande beskrivs de olika fallen och hur dessa fel kan uppmätas oberoende av varandra.

Det kan också finnas en axiell förflyttning av axlarna som också kan mätas med uppfinningens metod.

Metoden bygger på att en permanent magnet (av t ex NdFeB-legering för att erhålla ett tillräckligt starkt magnetfält) placeras på ena kopplingen samt ett tvàaxligt (mäter magnetfältet i två ortogonala riktningar) magnetsensor system på den andra kopplingen.

Dimensionen av magneten väljs så att man erhåller dels tillräckligt högt magnetfält men också att man erhåller en tillräckligt hög magnetfältgradient dar magnetsensorsystemet placeras. Magnetiseringsriktningen av magneten skall vara riktad mot den ena kopplingen. Den ena känslighetsriktningen av magnetsensorsystemet skall vara riktad mot magnetiseringsriktningen av magneten och den andra känslighetsriktningen ortogonalt riktad mot den andra känslighetsriktningen. 10 15 20 25 531 45? Axelkopplingen vid ett vinkelfel, o, kan ses Fig. 1, som visar två axlar 10a och 10b med tillhörande koppllngsenheter 11a och 11b. Kopplingsenhet 'lta är försedd med en magnet 12 och kopplingsenhet 11b är försedd med en magnet sensor13. r är det axiella avståndet från centrum av axeln till magneten 12 och magnetsensorn 13. Figuren visar ett vinkelfel som ger ett max avstånd mellan magnet och magnetsensor som pekar rakt upp.

Avståndet L, och Lz är det maximala och minimala avståndet mellan magnet och magnetsensor. När kopplingen roteras kommer avståndet mellan magnet och magnetsensor att beskriva en oscillerande rörelse med topp till topp värdet L,-L2.

Vinkelfelet ges av: sin(ç0/2) :Qí-L-z-l (1) r Vid små vinkelfel (då (p << i) ges vinkelfelet av: rsfligltz) (2) I Fig. 2 visas hur magnetfältet varierar med avståndet rakt ut från magneten för den magnet som används i kopplingen. En liten lägesändring av avståndet mellan permanentmagnet och sensor kommer att ge en fältändring, som beror på storlek av lägesändring och gradienten (lutningen i magnetfält mot avstàndskurvan, enligt nedan).

Den största lägesändringen som uppstår i vår mätuppställning vid rotation av kopplingen ges av L, - L; vilket motsvarar ett magnetfält med minvärdet, Bmw, respektive maxvärdet, Bmax. Fältändringen, Bmx - Bm,-,,, vilket är topp till topp värdet, Bm, av de oscillerande magnetfältsvärdena vid rotation av kopplingen då det föreligger ett vinkelfel. Eftersom lägesändringarna är smá (dvs. en konstant gradient) vid rotation av kopplingen kan Bm skrivas som (samt att vi tar hänsyn till att magnetsensorn vrids också med en vinkel lika med vinkelfe|et): Bill z Blmax I. Blmin z _L2)cos(w) : 4r Sin(W/2)COS(W) ) 10 15 20 25 30 531 49? där ÖB f! ÛL är gradienten vid arbetspunkten. Om vi därefter inför att vi har små vinkelfel dvs att sin(tp/2)cos(cp) z tp/2 då tp << 1, så erhåller vi att: as] Bm =-¿í(2r)@ (4) Topp-till-topp-värdet av oscillationen av magnetfältet är alltså linjär mot absolutvärdet av vinkelfelet vid små vinkelfel. vilket är fallet i de flesta vinkelfel. Om vinkelfelet skulle vara större (dvs. att inte o << 1) så är det bara att använda det kompletta uttrycket för vinkeländringen (se ekv. 2.3) eller vid riktigt stora vinkelfel (då inte ens gradienten är konstant) använda resultatet för hur fältet varierar med avståndet och därefter beräkna vinkelfelet (dvs. använda resultatet från Fig. 2).

Alla mätresultat har erhållits för relativt stora fel i dessa axelkopplingssarnmanhang verifierar att Bm är linjär mot vinkelfelet.

Från en typisk linjär magnetsensor (t ex från en integrerad Hallsensor med spänningsmatning) erhåller man en utspänning som är linjär mot magnetfältet. Eftersom avståndet mellan magnet och magnetsensor kommer att oscillera med ett sinus- (eller cosinus-) uttryck vid rotation av koppling samt att vi inte har för stora avståndsändringar kommer vi att erhålla ett oscillerande utryck för spänningssignalen från magnetsensorn enligt: V , V] :( å” )s1n(9+0e1)+V0ff1 där âär rotationsvinkeln, a, är fasen, Vom är en offset i utsignal (som beror på arbetsavståndet mellan magnet och magnetsensor) och Vm är topp till topp värdet i spänning. Anpassning av ovanstående ekvation till uppmätta data vid rotation ger värden på parametrarna VM, a, och Vom. Utifrån fasen l förhållande till en referenssignal (t ex från en accelerometer eller ett annat referenssensorsystem placerad i anslutning till magnetsensorsystemet) kan man sen dela upp vinkelfelet i komponenter (horisontell och vertikalfel). Utifrån Vom kan man bestämma eventuella förflyttningar av avståndet mellan kopplingarna vilket kommer att ge ändringar i arbetsavstånd. Med hjälp av Vom kan man 10 15 20 25 30 531 49? alltså kompensera för dessa ändringar i arbetsavstånds vilket innebär att man med denna metod även kan detektera eventuella relativa lägesändringar mellan de två kopplingarna.

Eftersom magnetfältet kan översättas till ett spänningsvärde för magnetsensorn, så kan topp till toppvärdet i magnetfält översättas till ett topp till toppvärde i utspänning från magnetsensorn enligt: Vin = r(Û+Vio (ö) Och visas schematiskt i nedanstående Fig. 3.

Kalibreringskonstanten k, innehåller värdet av gradienten och radien av kopplingen enligt ekv. 2.4. Det finns ett mycket litet beroende av offseten i denna kalibreringskonstant.

Detta beroende har mätts upp och har visats att beroende kan försummas för de offseter som erhàlles i de flesta kopplingsapplikationer. V10 används för att erhålla en bra kalibreringslinje och brukar ligga relativt nära noll. För att kalibrera detta system för vinkelfel behövs alltså minst två datapunkter och då helst ett litet och ett större vinkelfel.

Fler datapunkter under kalibreringsfasen gör kalibreringen mer noggrann. Man skall då helst välja både små, medelstora och stora vinkelfel.

Ett offsetfel av kopplingen samt hur sensorsystem är positionerad kan ses i Fig. 4, som visar en av två axlar 40 med tillhörande kopplingsenheter 41 a och 41 b. Kopplingsenheten 41a är försedd med magneter 42a och 42b och kopplingsenhet 41 b är försedd med magnetsensorer 43a och 43b.

Vid ett offsetfel och vid rotation av kopplingen kommer magnetsensorn att rotera över magneten. Magneten kan låsas fast i ett fast koordinatsystem Offset kan ses som den uppkomna lägesförskjutningen i rotationsplanet mellan centrum av magnet och magnetsensorsystemet Om en magnetsensor med en känslighetsriktning riktad i radiell led enligt Fig. 4 (känslighetsriktningen är riktad i radiell led för att minimera effekten av glapp i kopplingen) används, kommer denna känslighetsriktning att projiceras utmed magnetfältlinjerna riktade i planet av magneten. Denna oscillation och proiektion av känslighetsriktning kommer att innebära att en oscillerande signal från magnetsensorn.

Magnetfältets värde riktad rakt ut i ett sådant rotationsplan beror på graden av offset, Detta kommer att ge att sensorns topp till topp värde (för känslighetsriktning 2, Fig. 4) för 10 15 20 25 531 49? en magnetsensor riktad i denna radiella riktning kommer då att bero på graden av offset.

Pilen i figuren indikerar känslighetsriktning 2 för magnetsensorn. i nedre delen av figuren är det ritat hur magnet-magnetsensor systemet är positionerad i förhållande till varandra när kopplingen roterats ett halvt varv. Ett oscillerande signalmönster erhålles vid rotation av kopplingen liknande oscillationerna som vid ett vinkelfel men i detta fall erhålles signaloscillationer runt en nollsignal (vid ett perfekt centrerat läge av magnet- magnetsensorsystem vid offset = O). Samma typ av signalbehandling används i detta offsetfei som i föregående utförande beskriven tidigare (se beskrivningen av vinkelfel).

Topp-till-topp-värdet av magnetfäitet kan skrivas enligt (7 ) där S är värdet av offseten och ks är en kalibreringskoefficient när det gäller offset.

Vid rotation av kopplingen erhålles en sinussignal (pà samma sätt som vid vinkelfelet) som kan skrivas enligt: V2 = sin(9+a¿)+V0fl2 (8) med tillhörande topp till topp värde av utsignal, VW, en relativ fasvinkei, a; samt en konstant offset anpassningsparameter, Vom. Precis som tidigare vid vinkelfel kan detta topp till topp värde för offset skrivas som: V F12 = kzs + V20 <9 i Vilket visas schematiskt i nedanstående Fig. 5.

Precis som för vinkelfelet måste offsetfelets resultat kalibreras med minst tvà data punkter, ett litet offsetfel och ett större offsetfel. Fler datapunkter under denna kalibreringsprocess ger en noggrannare kalibrering. 10 15 20 25 30 53'| 49? Enligt uppfinningen erhålles ett två axligt magnetsensorsystem med en känslighetsriktning (riktning 1) riktad rakt in mot magneten samt en känslighetsriktning (riktning 2) riktad i radieli led eller transversell led. Vinkelfetet mäts med riktning 1 och offsetfelet med riktning 2. De två absolutfelen i vinkel och offset, kan ses som vektorer i ett koordinatsystem med tillhörande horisontella och vertikalafel. Den totala situationen illustreras i Fig. 6.

Definitionerna över riktningar av felen kan anpassas efter behov. Vid mätningar där både vinkelfel och offsetfel har ändrats, har det visat sig att det inte råder ett beroende mellan de två felen, vilket gör att både vinkelfel och offsetfel kan mätas oberoende, genom att använda data från de två känslighetsriktningarna, 1 och 2.

För att kunna avgöra hur vinkelfelet och offsetfelet är orienterat relativt en känd riktning används en referenssensor. Referenssensorn kan placeras i en godtycklig position så länge man vet var den är placerad och hur den är orienterad i föhållande till magnet- sensorsystemet. Med fördel kan den placeras i anslutning till magnetsensorsystemet eftersom i detta område den övriga elektroniken år placerad. Som referenssensor kan t ex en accelerometer användas där man erhåller ett maxima i accelerometersignalen då känslighetsriktningen för accelerometern pekar rakt mot g-vektorn (rakt ned) och signalen är som lägst då känslighetsriktningen pekar antiparallellt med g-vekor (rakt uppåt). l detta beskrivna fall skall känslighetsriktningen för accelerometern vara riktad i radieli led i kopplingen. Känslighetsriktningen av accelerometern kan också vara riktad i transversell riktning i kopplingen och då erhåller man också en oscillerande signal men signalen kommer då inte att vara påverkad av centripetalkraften som accelerometern gör i det första beskrivna fallet. Signalen från accelerometern kommer också att beskriva en väsentligen sinusliknande signal med liknande max- och minsignaler när känslighetsriktningen är orienterad med eller mot g-vektorn. Fasen av referenssignalen relativt faserna för signalerna från vinkelfelet och offsetfelet kommer då att beskriva hur vinkelfelet och offsetfelet är orienterat relativt g-vektorn. Man kan också tänka sig andra typer av referenssensorer såsom optiska givare eller magnetiska givare där ”sändaren” (t ex laser i det optiska fallet eller en magnet i det magnetiska fallet) är fast placerad i en punkt och detektorn (diod i det optiska faller och en magnetisk sensor i det magnetiska fallet) år placerad på den roterande axeln, eller att sändaren är placerad på axel och detektorn fast placerad relativt den roterande axeln. 531 45? Uppfinningen är inte begränsad till de visade och beskrivna utföranden och kan med fördel modifieras och ändras inom ramen för de närslutna patentkraven.

Claims (27)

10 15 20 25 30 531 497 PATENTKRAV

1. System för uppmätning av upplinjering av tvà axlar försedda med en första och en andra kopplingsdel medelst ett två-axligt ortogonalt magnetsensorsystem innefattande en sensor och en magnet, varvid nämnda sensor är anordnad att placeras på den första kopplingsdelen med dess ena känslighetsriktning orienterad mot en magnetiseringsriktning av nämnda magnet, vilken magnet är anordnad att placeras på den andra kopplingsdelen och medel för att avläsa ett vinkelfel och offsetfel oberoende av varandra under axlarnas rotation on-line, kännetecknat därav, att systemet dessutom innefattar en referenssensor för bestämning av nämnda vinkelfels- och offsetfelsorientering relativt en känd riktning.

2. System enligt krav 1, vari en axiell förflyttning av axlarna mätes.

3. System enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att nämnda magnet är en permanent magnet.

4. System enligt krav 3, kännetecknat därav, att nämnda magnet är en NdFeB-legering.

5. System enligt något av kraven 1 - 4, kännetecknat av, att nämnda magnet har en dimension sä att dels tillräckligt högt magnetfält men också en tillräckligt hög magnetfältgradient där magnetsensorsystemet placeras erhålles.

6. System enligt något av kraven 1 - 5, kännetecknat av, att vinkelfelet, gp, ges av: sin((p/ 2) = th? Lz) r vari rär ett axiellt avstånd från centrum av axeln till magneten och magnetsensorn, L, och 1.2 är det maximala och minimala avståndet mellan magnet och magnetsensor_

7. , System enligt nàgot av kraven 1 - 6, kännetecknat av, att ett topp-till-topp-värde, Bm. av oscillationen av magnetfältet är linjär mot absolutvärdet av vinkelfelet vid små vinkelfel.

8. System enligt krav 7, kännetecknat av, att nämnda topp-till-topp-värde är: 10 15 20 25 30 531 497 10 Éå aL Bttl = Blmax “Blmín z: ÖB . (L, - Lz ) cos(çp) = Bi'- 4r s1n(ço / 2) cos((p) vari ÖB / ÛL är gradienten vid arbetspunkten och Bma, ~ Bmfn, är fältändringen.

9. System enligt något av kraven 1 - 8, kännetecknat av, att magnetsensorn genererar en utspänning som är linjär mot magnetfältet enligt: Vi. - V] = í-Eàsinw + 0:1) + Vom där 6 är rotationsvinkeln, a, är fasen, Vom är en offset i utsignal och VM är ett topp till topp värde i spänningen.

10. System enligt krav 9, kännetecknat av, att utifrån fasen i förhållande till en referenssignal delas vinkelfelet upp i komponenter (horisontell- och vertikalfel), varvid utifrån Vom bestämmes eventuella förflyttningar av avståndet mellan kopplingsdelarna.

11. System enligt något av kraven 9 eller 10 , kännetecknat av, att medelst VW kompenseras för ändringar i arbetsavstånd.

12. System enligt något av kraven 9 - 11, kännetecknat av, att magnetfältet översättes till ett spänningsvärde för magnetsensorn, och topp till toppvärdet i magnetfält översättas till ett topp till toppvärde i utspänning från magnetsensorn en|igt: Vin I: kifÛ + V10 där k, är en kalibreringskonstant innehållande värdet av gradienten och radien av kopplingen.

13. System enligt något av föregående krav, kännetecknat av, att vid ett offsetfel och vid rotation av kopplingen kommer magnetsensorn att rotera över magneten, varvid låses magneten fast i ett fast koordinatsystem, varvid offseten antas som en uppkommen lägestörskjutning i rotationsplanet mellan centrum av magnet och magnetsensorsystemet.

14. System enligt krav 13, innefattande en magnetsensor med en känslighetsriktning riktad i radiell led varvid känslighetsriktningen projiceras utmed magnetfältlinjerna riktade i planet av magneten. 10 15 20 25 531 49? 11

15. System enligt krav 14, varvid en oscillation och projektion av känslighetsriktning åstadkommas varvid en oscillerande signal från magnetsensorn erhålles, varvid magnetfältets värde riktad rakt ut i ett sådant rotationsplan beror av graden av offset.

16. System enligt krav 15, vari sensorns topp till topp värde (för känslighetsriktning 2) för en magnetsensor riktad i nämnda radiella riktning beror av graden av offset och ett oscillerande signalmönster vid rotation av kopplingen genereras och signaloscillationer runt en nollslgnal produceras.

17. System enligt krav 16, vari ett topp-till-topp-värde av magnetfältet erhålles enligt: B/:Z : där S är värdet av offseten och ks är en kalibreringskoefficient för offset.

18. System enligt krav 17, vari vid rotation av kopplingen erhålles en sinussignal enligt: V, = i V; jsinrø + 05,) + VW med tillhörande topp till topp värde av utsignal, Väz, en relativ fasvinkel, ag samt en konstant offset anpassningspararneter, VCW.

19. System enligt krav 18, vari topp till topp värdet för offseten är: Vu: I kzS + V20

20. System enligt något av kraven 1-19, kännetecknat därav, att nämnda referenssensor innefattar en accelerometer.

21. System enligt krav 20, vari nämnda referenssensor genererar ett maxima i accelerometersignalen dä känslighetsriktningen för accelerometern pekar väsentligen rakt mot en g-vektor och signalen är som lägst då kånslighetsriktningen pekar väsentligen antiparallellt med g-vektorn.

22. System enligt krav 21, vari känslighetsriktningen för accelerometern är riktad i radiell led i kopplingen. 10 15 531 45? 12

23. System enligt krav 21, vari känslighetsrlktningen av accelerometern är riktad i transversell riktning i kopplingen

24. System enligt något av kraven 1-19, kännetecknat därav, att nämnda referenssensor innefattar optiska givare eller magnetiska.

25. System enligt krav 21, kännetecknat därav, att en sändare i nämnda referenssensor är fast placerad i en punkt och en detektor är placerad på den roterande axeln, eller vise versa.

26. System enligt något av föregående krav, vari referenssensorn är placerad i en godtycklig position med känd position och orientering iförhållande till magnetsensorsystemet.

27. System enligt krav 21, kännetecknat därav, att referenssensorn är placerad i anslutning till magnetsensorsystemet i en position där övrig elektronik är placerad.