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Anordnung zum Bestimmen der Drehzahl und
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Drehrichtung einer Welle Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum
Bestimmen der Drehzahl einer Welle, enthaltend einctn mit der Wehre vs«buntienen
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 entgegengerichtete Eagnetfelder
erzeugende Erregerspulen und Mittel zur Erfassung von Rotordrehzahl und Drehrichtung.
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Aus der DE-PS 22 52 159 ist eine solche Anordnung bekannt, wobei der
Rotor zwei Pole aufweist, die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Die Erregerspulen sind gegenüberliegend auf der Innenseite des Stators angeordnet
und weisen mit ihrer Feldwirkungsrichtung auf den Rotormittelpunkt. Zu den Erregerspulen
um 900 in radialer Richtung versetzt sind weiterhin-zwei Sekundärwicklungen, ebenfalls
auf dem Bückschlußring des Stators angebracht. Bei einer Drehbewegung der Rotors
wird mittels der Rotorpole abwechselnd ein magnetischer Kreis geschlossen, der jeweils
eine Erregerspule und eine Sekundärspule beinhaltet und somit in der Sekundärspule
eine dem Magnetfeld der Erregerspule entsprechende Spannung induziert. Die an den
beiden Sekundärspulen auftretenae Spannungen werden über zwei getrennte Signaleitungen
einer Auswerteschaltung zugeführt, welche mittels einer Gatterkombination die
Spannungen
mit dem Bezugssignal mit welchem die Erregerspulen 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 ist und die Auswerteelektronik
integriert anderer Stelle untergebrachten EleXtronikeinheit integriert ist, sind
mehrere Signalübertragungsleitungen erforderlich Über längere Strecken geführte
Signalleitungen bedeuten jedoch ein erhöhtes Ausfallsrisiko und ein größerer Aufwand
an Abschirmung von äußerer oder gegenseitiger Beeinflussung der Signale.
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Aus der D<-03 14 38 094 ist ein Diskrimi.nator für mechanische
Bewegungsrichtungen bekannt, welcher einen elektromagnetischen Signalgeber enthält.
Ein derartiger Signalgeber setzt eine die vergleichsweise hohe Drehgeschwindigkeit
der Welle voraus, damit die erzeugten Impulse eine ausreichende Amplitude und Flankensteilheit
aufweisen. Erst dann kann die notwendige Bestimmung der Phasenlage mittels Triggerstufen
und Kippstufe erfolgen.
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Beide Arten von Drehrichtungs- und Drehzahlsensoren setzen einen hohen
schaltungstechnischen Aufwand voraus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Bestimmen
von Drehzahl und Drehrichtung einer Welle zu schaffen, welche möglichst wenig Signalübertragungsleitungen
und einen geringen Aufwand an Elektronik aufweist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf dem Rückschlußring des
Stators eine Abgriffspule in radialer Richtung angeordnet ist und die Magnetpole
des Rotors so angeordnet sind, daß die Felder der Erregerspulen wechselweise Spannungs
signale in der Abgriffspule der induzieren, wobei aus derzeitlichenReihenfolge und
Aufeinanderfolge der Spannungssignale die Dreh-
richtung und Drehzahl
ermittelt wird.
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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 abgeschirmt und Fehlmessungen
vermieden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Spulen auf dem Stator so
anzuordnen, daß benachbarte Spulen jeweils einen Winkel von 1200 einschließen. Bei
dieser Anordnung weist der Rotor sechs Magnetpole auf, wobei diese so angeordnet
sind, daß je nach Drehrichtung des Rotors e.r. bestimmter Signalverlauf entsteht.
Es können natürlich auf dem Rotor eine größere Anzahl Magnetpole in bestimmten Abständen
angeordnet sein, hierdurch erhält man ebenso wie durch eine größere Anzahl Erregerspulen
und/oder Abgriffspulen eine größere Anzahl Impulse pro Umdrehung und damit eine
genauere Auswertung von beispielsweise sehr langsamen Bewegungen.
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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.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Erregerspulen
und gegebenenfalls die Abgriffspulen in Reihe geschaltext, so daß sich die Anzahl
der Übertragungsleitungen auf ein Kindestmaß.reduziert. Weiterhin sind die Masselitungen
von Erreger- und Abgriffspulen zu einer gemeinsamen Leitung zusammengeführt; diese
kann natürlich auch aus zwischen der Sensoreinheit und der Auswerteelektronik angeordneten
elektrisch leitenden Konstruktionselementen gebildet werden.
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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 Polschuhesind weiterhin so ausgestaltet,
daß diese den Erreger- und Abgriffspulen gleichermaßen als Spulenkörper dienen-Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 - den Aufbau eines Drehzahl und Drehrichtungssensors,
Fig. 2-6 - verschiedene Rotorstellungen des Sensors, Fig. 7 - Impulsdiagramm des
am Ausgang des Sensors anstehende Sensorsignale.
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Die Anordnung nach Figur 1 zeigt einen Stator 1, welcher im wesentlichen
aus einem Rückschlußring 2 und darauf über den Umfang g eichmäßig verteilt angeordnete
Pols,huhe besteht.
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Auf den Polschuhen 4, 5 sind jeweils Erregerspulen 6, 7 aufgelegt,
wobei diese einen unterschiedlichen Wicklungssinn aufweisen, so daß ein von den
Spulen erzeugtes, elektromagnetisches Feld bei Gleichspannungsansteuerung den mit
den Pfeilen 8, 9 dargestellten Feldverlauf aufweisen. Die Spulen werden zwar mit
einer hochfrequenten Spannung über dem Eingang UE angesteuert, für die nachfolgende
Betrachtung der Wirkungsweise des Sensors wird jedoch zur Vereinfachung der Darstellung
von einer statischen bzw. Gleichspannungsansteuerung ausgegangen. -Auf dem Polschuh
3 ist eine Abgriffspule 10 aufgebracht, deren Ausgangssignale werden an dem Punkt
UA abgegriffen,
wobei die Spulen 6, 7, 10 einen gemeinsamen Massepunkt
11 aufweisen..Es läßt sich leicht erkennen, daß lediglich drei Übertragungsleitungen
zu einer hier nicht dargesteliten Auswerteelektronik benötigt werden.
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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 Umfangsrichtung 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 600 gebildet wird und die Pole 16 und 15, 19 und 14 jeweils einen Winkel von
300 einschliessen.
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Der Rotor 12 und ebenfalls der Rückschlußring 2 mit den Polschuhen
3 bis 5 besteht aus einem magnetisch gut leitenden Material, welches aber gleichzeitig
Wirbelstromverluste möglichst gering hält.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Drehzahl- und Drehrichtungssensors
näher erläutert. Bei der in Figur 1 dargestellten Rotorstellung besteht zwischen
Spule 6 und Abgriffspule 10 eine elektromagnetische Kopplung, das in der Abgriffspule
induzierte Signal liegt am Ausgang UA beispielsweise als positives Signal an. Das
durch Spule 6 erzeugte Feld erstreckt sich über den Polschuh 4, den Luftspalt 21,
den Rotor 12, mit den Polen 17 und 19 den Luftspalt 22, Polschuh 3 und Rückschlußring
2.
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Nach einer Drehung des Rotors 12 um einen Winkel von 600 im Uhrzeigersinn
hat der Rotor die in Fig. 2 gezeigte Stellung, die Abgriffspule 10 ist nochmals
mit Spule 6 gekoppelt, das Ausgangssignal UA ist gleichfalls positiv.
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Eine weitere Drehung um 600 in gleicher Richtung bewirkt nach Figur
3 eine Kopplung von Spule 7 mit Spule 10, hierbei ent-
steht durch
die umgekehrte Feldrichtung von Spule 7 ein am Ausgang UA n1iegendes negatives Signal.
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In figur 4 ist der Rotor ebenfalls um 600 im Uhrzeigersinn weitergedreht
eine Kopplung von Spule 7-mit Spule 10 bewirkt auch hier ein negatives Ausgangssignal.
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Bei einer nachfolgenden Drehbwegung des Rotors um weitere 300 wird
wieder wie in Figur 5 gezeigt, eine Kopplung von Spule 6 mit Spule 10 erreicht,
das Ausgangssignal von Spule 10 am Punkt UA ist positiv.
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Im weiteren Verlauf der Drehbeesgung wird erst nach einer 120 - Drehung
eine Spannung in Spule 10 induziert, dies entsteht durch Kopplung mit Spule -7,
am Ausgang UA steht also ein negatives Signal an.
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Eine weitere Drehung des Rotors 12 um 300 fuhrt den in Figur 1 gezeigten
Ausgangszustand herbei.
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Das ImpulsdiagrammPigur 7 zeigt den Ausgangssignalverlauf bei einer
Umdrehung des Rotors, wobei oben die Drehrichtung des Rotors wie in den Figuren
1 bis 6 erläutert im Uhrzeigersinn (CW) verläuft. Bei einer Drehbewegung des Rotors
entgegen dem Uhrzeigersinn (CCW) erhält man den unten stehenden Signalverlauf, wie
sich z.B. bei einem Zurückverfolgen der Stellungen des Rotors von Figur 6 bis Figur
1 ermitteln läßt. Wie aus den Diagrammen erkennbar besitzt jede Drehrichtung des
Rotors ein bestimmtes: Ausgangsspannungsschema. Beispielsweise folgt bei Drehrichtung
CW nach zwei negativen Signalen nur 1 positives Signal, wobei im Gegensatz hierzu
bei Drehrichtung CCW nach zwei negativen Signalen zwei positive Signale folgen.
Anhand dieser richtungsspezifischen Merkmale läßt sich in einfacher Weise mittels
eines phasenempfindlichen Gleichrichters und einer Auswerteschaltung beispielsweise
einem retriggerbaren Monoflop die Drehrichtung
und Drehzahl des
Rotors bzw. der Welle ermitteln.
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