DE3134020C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen der Dreh­ zahl einer Welle, enthaltend einen mit der Welle verbundenen Rotor, auf welchem magnetisch leitend verbundene Magnetpole in radialer Richtung angeordnet sind, einen Stator, enthal­ tend einen Rückschlußring und wenigstens zwei darauf angeord­ nete und im wesentlichen radiale und entgegengerichtete Ma­ gnetfelder erzeugende Erregerspulen und Mittel zur Erfassung von Rotordrehzahl und Drehrichtung.

Aus der DE-PS 22 52 159 ist eine solche Anordnung bekannt, wo­ bei der Rotor zwei Pole aufweist, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die Erregerspulen sind gegenüber­ liegend auf der Innenseite des Stators angeordnet und weisen mit ihrer Feldwirkungsrichtung auf den Rotormittelpunkt. Zu den Erregerspulen um 90° in radialer Richtung versetzt sind weiterhin zwei Sekundärwicklungen, ebenfalls auf dem Rück­ schlußring des Stators angebracht. Bei einer Drehbewegung des Rotors wird mittels der Rotorpole abwechselnd ein magnetischer Kreis geschlossen, der jeweils eine Erregerspule und eine Se­ kundärspule beinhaltet und somit in der Sekundärspule eine dem Magnetfeld der Erregerspule entsprechende Spannung indu­ ziert. Die an den beiden Sekundärspulen auftretenden Spannungen werden über zwei getrennte Signalleitungen einer Auswerteschal­ tung zugeführt, welche mittels einer Gatterkombination die Spannungen mit dem Bezugssignal, mit welchem die Erregerspu­ len angesteuert werden, verknüpft. Hierbei entstehen auf Ausgangsleitungen Impulse, deren zeitliche Reihenfolge von der jeweiligen Drehrichtung abhängt. Da Rotor und Stator der Anordnung meist unmittelbar im Bereich beispielsweise eines Fahrzeugrades angeordnet sind und die Auswerteelektro­ nik in einer an anderer Stelle untergebrachten Elektronik­ einheit integriert ist, sind mehrere Signalübertragungslei­ tungen erforderlich. Über längere Strecken geführte Signal­ leitungen bedeuten jedoch ein erhöhtes Ausfallrisiko und ein größerer Aufwand an Abschirmung von äußerer oder gegen­ seitiger Beeinflussung der Signale.

Aus der DE-OS 14 38 094 ist ein Diskriminator für mechani­ sche Bewegungsrichtungen bekannt, welcher einen elektroma­ gnetischen Signalgeber enthält. Ein derartiger Signalgeber setzt eine vergleichsweise hohe Drehgeschwindigkeit der Wel­ le voraus, damit die erzeugten Impulse eine ausreichende Am­ plitude und Flankensteilheit aufweisen. Erst dann kann die notwendige Bestimmung der Phasenlage mittels Triggerstufen und Kippstufen erfolgen.

Beide Arten von Drehrichtungs- und Drehzahlsensoren setzen einen hohen schaltungstechnischen Aufwand voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Bestimmen von Drehzahl und Drehrichtung einer Welle zu schaf­ fen, welche möglichst wenig Signalübertragungsleitungen und einen geringen Aufwand an Elektronik aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf dem Rückschluß­ ring des Stators eine einzige Abgriffspule in radialer Richtung an­ geordnet ist und die Magnetpole des Rotors so angeordnet sind, daß die Felder der Erregerspulen wechselweise Spannungssignale in der Abgriffspule induzieren, wobei aus der zeitlichen Rei­ henfolge und Aufeinanderfolge der Spannungssignale die Dreh­ richtung und Drehzahl ermittelt wird.

Um Spulen und Rotorpole möglichst klein zu halten und um bei hohen Drehzahlen der Welle noch ein ausreichend genaues Signal zu erhalten, werden die Erregerspulen vorzugsweise mit einer hohen Ansteuerfrequenz angesteuert. Hierdurch werden außerdem äußere niederfrequente Störeinflüsse abge­ schirmt und Fehlmessungen vermieden.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Spulen auf dem Stator so anzuordnen, daß benachbarte Spulen jeweils einen Winkel von 120° einschließen. Bei dieser Anordnung weist der Rotor sechs Magnetpole auf, wobei diese so angeordnet sind, daß je nach Drehrichtung des Rotors ein bestimmter Si­ gnalverlauf entsteht. Es können natürlich auf dem Rotor eine größere Anzahl Magnetpole in bestimmten Abständen angeordnet sein, hierdurch erhält man ebenso wie durch eine größere An­ zahl Erregerspulen und/oder Abgriffspulen eine größere An­ zahl Impulse pro Umdrehung und damit eine genauere Auswertung von beispielsweise sehr langsamen Bewegungen.

Die Signalauswertung geschieht in vorteilhafter Weise mittels eines phasenempfindlichen Gleichrichters und V-R-Zählers; möglich ist auch eine Auswertung mittels eines Microcomputers, der den Signalverlauf abtastet und je nach Programmierung eine entsprechende Auswertung vornimmt.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Erreger­ spulen in Reihe geschal­ tet, so daß sich die Anzahl der Übertragungsleitungen auf ein Mindestmaß reduziert. Weiterhin sind die Masseleitungen von Erreger- und Abgriffspulen zu einer gemeinsamen Leitung zu­ sammengeführt; diese kann natürlich auch aus zwischen der Sen­ soreinheit und der Auswerteelektronik angeordneten elektrisch leitenden Konstruktionselementen gebildet werden.

Um einen möglichst geringen Luftspaltanteil bei einem durch Rotor und Stator gebildeten magnetischen Kreis zu erhalten, weist der Rückschlußring des Stators vorzugsweise Polschuhe auf. Diese Polschuhe sind weiterhin so ausgestaltet, daß diese den Erreger- und Abgriffspulen gleichermaßen als Spu­ lenkörper dienen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 - den Aufbau eines Drehzahl- und Dreh­ richtungssensors,

Fig. 2-6 - verschiedene Rotorstellungen des Sensors,

Fig. 7 - das Impulsdiagramm der am Ausgang des Sensors anstehenden Sensorsignale.

Die Anordnung nach Fig. 1 zeigt einen Stator 1, welcher im wesentlichen aus einem Rückschlußring 2 und darauf über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Polschuhe besteht. Auf den Polschuhen 4, 5 sind jeweils Erregerspulen 6, 7 auf­ gelegt, wobei diese einen unterschiedlichen Wicklungssinn aufweisen, so daß ein von den Spulen erzeugtes, elektroma­ gnetisches Feld bei Gleichspannungsansteuerung den mit den Pfeilen 8, 9 dargestellten Feldverlauf aufweisen. Die Spulen werden zwar mit einer hochfrequenten Spannung über dem Ein­ gang U _E angesteuert, für die nachfolgende Betrachtung der Wirkungsweise des Sensors wird jedoch zur Vereinfachung der Darstellung von einer statischen bzw. Gleichspannungsansteue­ rung ausgegangen.

Auf dem Polschuh 3 ist eine Abgriffspule 10 aufgebracht, deren Ausgangssignale werden an dem Punkt U _A abgegriffen, wobei die Spulen 6, 7, 10 einen gemeinsamen Massepunkt 11 aufweisen. Es läßt sich leicht erkennen, daß lediglich drei Übertragungsleitungen an einer hier nicht dargestellten Aus­ werteelektronik benötigt werden.

Der Rotor 12 ist auf einer Welle 13 befestigt und weist sechs als Pole 14-19 ausgebildete in radialer Richtung sich erstreckende Ansätze auf. Diese Pole sind in Umfangs­ richtung so angeordnet, daß Pol 14 mit Pol 15 einen Winkel von 120° bildet, zwischen den Polen 16 und 17, 17 und 18, 18 und 19 jeweils ein Winkel von 60° gebildet wird und die Pole 16 und 15, 19 und 14 jeweils einen Winkel von 30° einschlie­ ßen.

Der Rotor 12 und ebenfalls der Rückschlußring 2 mit den Pol­ schuhen 3 bis 5 besteht aus einem magnetisch gut leitenden Material, welches aber gleichzeitig Wirbelstromverluste mög­ lichst gering hält.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Drehzahl- und Dreh­ richtungssensors näher erläutert. Bei der in Fig. 1 darge­ stellten Rotorstellung besteht zwischen Spule 6 und Abgriff­ spule 10 eine elektromagnetische Kopplung, das in der Abgriff­ spule induzierte Signal liegt am Ausgang U _A beispielsweise als positives Signal an. Das durch Spule 6 erzeugte Feld er­ streckt sich über den Polschuh 4, den Luftspalt 21, den Ro­ tor 12, mit den Polen 17 und 19 den Luftspalt 22, Polschuh 3 und Rückschlußring 2.

Nach einer Drehung des Rotors 12 um einen Winkel von 60° im Uhrzeigersinn hat der Rotor die in Fig. 2 gezeigte Stellung, die Abgriffspule 10 ist nochmals mit Spule 6 gekoppelt, das Ausgangssignal U _A ist gleichfalls positiv.

Eine weitere Drehung um 60° in gleicher Richtung bewirkt nach Fig. 3 eine Kopplung von Spule 7 mit Spule 10, hierbei ent­ steht durch die umgekehrte Feldrichtung von Spule 7 ein am Ausgang U _A anliegendes negatives Signal.

In Fig. 4 ist der Rotor ebenfalls um 60° im Uhrzeigersinn weitergedreht, eine Kopplung von Spule 7 mit Spule 10 be­ wirkt auch hier ein negatives Ausgangssignal.

Bei einer nachfolgenden Drehbewegung des Rotors um weitere 30° wird wieder, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Kopplung von Spule 6 mit Spule 10 erreicht, das Ausgangssignal von Spule 10 am Punkt U _A ist positiv.

Im weiteren Verlauf der Drehbewegung wird erst nach einer 120°-Drehung eine Spannung in Spule 10 induziert, dies entsteht durch Kopplung mit Spule 7, am Ausgang U _A steht al­ so ein negatives Signal an (Fig. 6).

Eine weitere Drehung des Rotors 12 um 30° führt den in Fig. 1 gezeigten Ausgangszustand herbei.

Das Impulsdiagramm Fig. 7 zeigt den Ausgangssignalverlauf bei einer Umdrehung des Rotors, wobei oben die Drehrichtung des Rotors, wie in den Fig. 1 bis 6 erläutert, im Uhrzeiger­ sinn (CW) verläuft. Bei einer Drehbewegung des Rotors entge­ gen dem Uhrzeigersinn (CCW) erhält man den unten stehenden Signalverlauf, wie sich z. B. bei einem Zurückverfolgen der Stellungen des Rotors von Fig. 6 bis Fig. 1 ermitteln läßt. Wie aus den Diagrammen erkennbar, besitzt jede Drehrich­ tung des Rotors ein bestimmtes Ausgangsspannungsschema. Bei­ spielsweise folgt bei Drehrichtung CW nach zwei negativen Signalen nur 1 positives Signal, wobei im Gegensatz hierzu bei Drehrichtung CCW nach zwei negativen Signalen zwei posi­ tive Signale folgen. Anhand dieser richtungsspezifischen Merkmale läßt sich in einfacher Weise mittels eines phasen­ empfindlichen Gleichrichters und einer Auswerteschaltung, bei­ spielsweise einem retriggerbaren Monoflop, die Drehrichtung und Drehzahl des Rotors bzw. der Welle ermitteln.

Claims (6)

1. Anordnung zum Bestimmen der Drehzahl und Drehrichtung einer Welle, enthaltend einen mit der Welle verbundenen Rotor, auf welchem magnetisch leitend verbundene Magnetpole in radialer Richtung angeordnet sind, einen Stator, enthaltend einen Rückschlußring und wenigstens zwei darauf angeordnete und im wesentlichen radiale und ent­ gegengerichtete Magnetfelder erzeugende Erregerspulen und Mittel zur Erfassung von Rotordrehzahl und Drehrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rückschlußring (2) des Stators (1) eine einzige Abgriff­ spule (10) in radialer Richtung angeordnet ist und die Magnetpole (14- 19) des Rotors (12) so angeordnet sind, daß die Felder der Erregerspu­ len (6, 7) wechselweise Spannungssignale in der Abgriffspule (10) indu­ zieren, wobei aus der zeitlichen Reihenfolge und Aufeinanderfolge der Spannungssignale die Drehrichtung und Drehzahl ermittelt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Erregerspulen (6, 7) erzeugten Magnetfelder eine hohe Frequenz, vor­ zugsweise einige kHz, aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator zwei Erregerspulen (6, 7) aufweist und die Erregerspulen (6, 7) und die Abgriffspule (10) so angeordnet sind, daß zwei benachbarte Spu­ len jeweils einen Winkel von 120° einschließen und daß der Rotor (12) sechs Magnetpole (14-19) aufweist und diese in Umfangsrichtung gese­ hen jeweils einen Winkel von 30°, 60°, 60°, 60°, 30° und 120° bilden.

4. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Auswertung der Drehrichtung und Drehzahl der Welle ein phasenempfindlicher Gleichrichter und ein Zähler, insbesondere ein oder mehrere V-R-Zähler an den Signalausgang der Abgriffspule (10) geschal­ tet sind, mit welchen die zeitliche Reihenfolge und Aufeinanderfolge der Spannungssignale ausgewertet werden.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erreger­ spulen (6, 7) des Stators (1) in Reihe geschaltet sind und die Abgriff­ spule (10) mit den Erregerspulen (6, 7) eine gemeinsame Masse (11) aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rückschlußring (2) des Stators (1) Polschuhe (3, 4, 5) aufweist und daß auf diesen Polschuhen die Erregerspulen (6, 7) und die Abgriffspule (10) angeordnet sind.