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WO2023011682A1 - Verfahren und vorrichtung zur drehmomentmessung - Google Patents

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Publication number
WO2023011682A1
WO2023011682A1 PCT/DE2022/100498 DE2022100498W WO2023011682A1 WO 2023011682 A1 WO2023011682 A1 WO 2023011682A1 DE 2022100498 W DE2022100498 W DE 2022100498W WO 2023011682 A1 WO2023011682 A1 WO 2023011682A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque
low
torque sensor
pass filtering
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2022/100498
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Hemmer
Johannes SAUER
Arkady Pankevich
Frank Landgraf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority to CN202280043817.XA priority Critical patent/CN117545994A/zh
Priority to US18/293,800 priority patent/US20250123165A1/en
Publication of WO2023011682A1 publication Critical patent/WO2023011682A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1435—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving magnetic or electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G21/00—Interconnection systems for two or more resiliently-suspended wheels, e.g. for stabilising a vehicle body with respect to acceleration, deceleration or centrifugal forces
    • B60G21/02—Interconnection systems for two or more resiliently-suspended wheels, e.g. for stabilising a vehicle body with respect to acceleration, deceleration or centrifugal forces permanently interconnected
    • B60G21/04—Interconnection systems for two or more resiliently-suspended wheels, e.g. for stabilising a vehicle body with respect to acceleration, deceleration or centrifugal forces permanently interconnected mechanically
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G01L25/003—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency for measuring torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2400/00—Indexing codes relating to detected, measured or calculated conditions or factors
    • B60G2400/90—Other conditions or factors
    • B60G2400/98—Stabiliser movement

Definitions

  • the invention relates to a torque measurement method that includes low-pass filtering of a signal. Furthermore, the invention relates to a device suitable for carrying out a torque measurement.
  • DE 10 2013 207 936 A1 discloses a method for determining the rotational speed of a shaft which has the features of the preamble of claim 1 and which, unlike conventional methods for measuring rotational speed, is based on a torque signal detected by a torque sensor.
  • DE 10 2013207 936 A1 mentions magnetostrictive sensors as possible sensors for measuring torques. Such sensors utilize relationships between deformations of magnetized machine elements and changes in the magnetic field.
  • DE 10 2013 207 936 A1 proposes determining the torque of a shaft from a torque signal detected by a torque sensor by filtering using a low-pass filter. It is assumed here that the torque sensor generates an analog torque signal, which is fed to the low-pass filter. After low-pass filtering, the signal can be either digital or analog.
  • DE 10 2014 201 870 A1 discloses a chassis stabilizer with a torque detection device that works magnetostrictively.
  • the torque detection device is provided here for detecting a torque between two stabilizer parts, with one of the stabilizer parts being connected to a flange part, to which a torque sensor is positively fastened by means of a carrier part. A rear side of the carrier part can be shielded by means of a slotted metal disc.
  • DE 10 2014 201 870 A1 makes no statement regarding the details of the signal evaluation.
  • a bottom bracket with a torque sensor system based on the magnetostrictive principle is known, for example, from EP 2 225 543 B1. In this case, two magnetizations of a rotating component subjected to a torque can interact with a common coil as a sensor. A separate sensor can be used to measure the speed.
  • DE 10 2013 214 580 B4 relates to a driven wheel bearing unit with integrated torque measurement.
  • the underlying measuring principle is correctly referred to as the inverse magnetostrictive effect.
  • a sensor that detects the change in magnetic properties a coil or a semiconductor sensor can be used.
  • the invention is based on the object of specifying methods of torque measurement with low-pass filtering that have been developed further than in the prior art. which are characterized by a particularly favorable ratio between equipment complexity and insensitivity to interference.
  • the torque measurement method assumes that an analogue signal is supplied by a torque sensor. This analog signal is first digitized and then further processed as a digital signal, with the further digital processing including filtering with a low-pass characteristic.
  • digital low-pass filtering has the advantage that any interference that is coupled into an analogue signal in the form of electromagnetic waves cannot play a role due to the principle involved. Such disturbances can only be significant within a signal transmission path between the torque sensor and the A/D converter used for digitization, with this path being able to be kept short by arranging the components performing the digital signal processing including filtering close to the torque sensor.
  • known means for shielding components can be used in principle.
  • a further advantage of the digital low-pass filtering is that parameters of the filtering can be changed in a simple manner, in particular by software.
  • the invention is based on the idea that even weak analog interference signals, for example in the order of a few mV, in certain frequency ranges, for example at frequencies of more than 5 kHz, the risk that significantly increase an output signal, which typically has to be in the range from 0 V to 5 V, leaves a predefined tolerance band. This risk is drastically reduced by digital low-pass filtering.
  • the digital low-pass filter thus represents an effective means of making the torque measurement more robust against high-frequency interference acting from outside in comparison to conventional solutions, which can include, in particular, analog low-pass filtering.
  • the low-pass filter can be implemented using software, ie it can be designed as a software filter. Since the filter makes a significant contribution to optimizing electromagnetic compatibility, i.e. the EMC properties, it is also referred to as an EMC software filter.
  • the input-side data rate of the low-pass filter is typically a multiple of the output-side data rate of the low-pass filter.
  • the data rate is reduced by the low-pass filtering to a quarter, an eighth, or an even smaller proportion of the original data rate, ie given on the input side of the low-pass filter.
  • the data rate can be reduced to a tenth of the data rate given before the low-pass filtering and already present in the form of a digitized data stream.
  • the torque sensor is sampled at time intervals of 100 ps to 300 ps, while the digitally low-pass filtered signal is forwarded at time intervals of 1 to 3 ms, in particular to a control unit integrated into a data bus.
  • the data of the torque measurement can be linked in particular with further measurement data and used in a higher-level regulation by the control device.
  • the low-pass filtering which is carried out exclusively by digital signal processing, can be implemented in a simple manner, for example, by calculating the arithmetic mean of at least five and at most 20, in particular exactly ten, consecutive digitized torque values. A new mean value calculation can be carried out with each new, digitally available torque value.
  • the torque measurement can be based on any physical principles, for example on the detection of geometric changes that are associated with changes in torque.
  • the inverse magnetostrictive principle can be used to measure torque. This has the advantage, among other things, that no electrical supply lines to rotating components, in which a torque to be measured acts, are required.
  • the torque sensor can be connected to an evaluation unit, which is also part of the torque measurement device, by means of a cable, via which an analog signal is transmitted.
  • an evaluation unit which is also part of the torque measurement device
  • a cable via which an analog signal is transmitted.
  • embodiments of the torque measuring device can be implemented in which the torque sensor is combined with the evaluation unit to form a structural unit, in particular arranged on a common circuit board. In such a case, the analog signal-transmitting cable between the torque sensor and the evaluation unit is omitted.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement for measuring torque.
  • a measuring arrangement for torque measurement comprises a torque sensor 2, which is designed to detect a torque acting in a chassis component 3 of a motor vehicle, not shown in detail.
  • the chassis component 3 is a stabilizer.
  • the chassis component 3 includes a torsion element 4 which has a magnetized area 5 .
  • the torsion element 4, which has a cylindrical basic shape, is adjoined on both sides by rod-shaped sections 6, 7, which end in the form of end sections 8, 9 in the arrangement outlined in FIG.
  • the torque sensor 2 works in a manner known in principle according to the inverse magnetostrictive principle. In this case, changes in the magnetic properties that are attributable to torsional loads that act in the chassis component 3 are utilized.
  • the basic function of the torque sensor 2 reference is made to the prior art cited at the outset.
  • An evaluation unit is connected to the torque sensor 2 by means of a cable 11, which transmits an analog signal.
  • the torque sensor 2 designed to output an analog signal and the evaluation unit 10 can be located on a common circuit board and thus form a structural unit.
  • the evaluation unit 10 in turn is connected to a control device 13 by means of a data bus 12, which is used for digital information transmission.
  • a microcontroller of the control device 13 is denoted by 14 .
  • the control unit 13 is also linked to a further data processing unit 15 via the data bus 12 . Further control and regulation functions can be implemented within the motor vehicle by means of the data processing unit 15 .
  • the data processing unit 15 uses torque signals for a higher-level control.
  • the evaluation unit 10 assigned to the measuring arrangement 1 includes a microcontroller 16. Further components of the evaluation unit 10 are an analog-to-digital converter 17 and three processing modules 18, 19, 20. The block-wise representation of the processing modules 18, 19, 20 does not necessarily mean that it are physically separate units.
  • evaluation unit 10 receives an analog signal, which is transmitted from torque sensor 2 by cable or conductor tracks.
  • the output voltage of the torque sensor 2 is in the range from 0 volts to 5 volts, with the magnetic field, typically given in pT and detected by the torque sensor 2, being assigned a voltage in the stated range. This voltage is converted into a digital value by means of the analog/digital converter 17 . Further signal processing is completely digital.
  • a torque is calculated in the first processing module 18 , which is also referred to as a calculation module, from the value digitized by means of the analog/digital converter 17 .
  • the second processing module 19 represents a transmission module which is designed to forward the digitized torque signal within the evaluation unit 10, optionally also to other receivers via the data bus 12.
  • the torque sensor 2 is sampled at time intervals of 100 ps to 300 ps, which corresponds to the transmission rate of the transmission module 19.
  • a software filter is connected downstream of the transmission module 19 as the third processing module 20 .
  • the software filter 20 is used in particular to optimize the EMC properties (electromagnetic compatibility) of the measuring arrangement 1 compared to conventional solutions.
  • the software filter 20 has the characteristics of a low-pass filter.
  • the feeding of analog interference signals into the measuring arrangement 1 is conceivable in two different ways: On the one hand, high-frequency changes in the magnetic field detected by the torque sensor 2 represent a conceivable interference. On the other hand, the feeding of high-frequency signals into the cable 11 is conceivable.
  • the frequency of the interference signal can be in the range of more than 5 kHz. Irrespective of the source of the interference, it is eliminated with high efficiency by the low-pass filter 20 implemented in software.
  • the digitally low-pass filtered signals are transmitted from the evaluation unit 10 to the control unit 13 without any relevant time delay.
  • the torsion element 4 is part of an active roll stabilizer.
  • Analog-to-digital converter first processing module, calculation module, second processing module, transmission module, third processing module, software filter

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Drehmomentmessung sieht eine Tiefpassfilterung eines von einem Drehmomentsensor (2) gelieferten Signals vor, wobei ein vom Drehmomentsensor (2) geliefertes analoges Signal zunächst digitalisiert und anschließend als digitales Signal mit Tiefpasscharakteristik weiterverarbeitet und -geleitet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Drehmomentmessunq
Die Erfindung betrifft ein Drehmomentmessverfahren, welches eine Tiefpassfilterung eines Signals umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung einer Drehmomentmessung geeignete Vorrichtung.
Aus der DE 10 2013 207 936 A1 ist ein die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Welle bekannt, welches sich, anders als gängige Verfahren zur Drehzahlmessung, auf ein von einem Drehmomentsensor detektiertes Drehmomentsignal stützt. Als mögliche Sensoren zur Messung von Drehmomenten sind in der DE 10 2013207 936 A1 magnetostriktive Sensoren genannt. Derartige Sensoren nutzen Zusammenhänge zwischen Verformungen magnetisierter Maschinenelemente und Magnetfeldänderungen aus. In der DE 10 2013 207 936 A1 wird vorgeschlagen, das Drehmoment einer Welle aus einem von einem Drehmomentsensor detektierten Drehmomentsignal durch Filterung mittels eines Tiefpassfilters zu ermitteln. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Drehmomentsensor ein analoges Drehmomentsignal generiert, welches dem Tiefpassfilter zugeführt wird. Nach der Tiefpassfilterung kann entweder ein digitales oder ein analoges Signal vorliegen.
Die DE 10 2014 201 870 A1 offenbart einen Fahrwerksstabilisator mit einer magnetostriktiv arbeitenden Drehmomenterfassungseinrichtung. Die Drehmomenterfassungseinrichtung ist hierbei zur Erfassung eines Drehmoments zwischen zwei Stabilisatorteilen vorgesehen, wobei mit einem der Stabilisatorteile ein Flanschteil verbunden ist, an welchem ein Drehmomentsensor mittels eines Trägerteils formschlüssig befestigt ist. Eine Rückseite des Trägerteils kann mittels einer geschlitzten Metallscheibe abgeschirmt sein. Zu Einzelheiten der Signalauswertung trifft die DE 10 2014 201 870 A1 keine Aussage. Ein Tretlager mit Drehmomentsensorik, welche auf dem magnetostriktiven Prinzip basiert, ist beispielsweise aus der EP 2 225 543 B1 bekannt. In diesem Fall können zwei Magnetisierungen einer mit einem Drehmoment beaufschlagten rotierenden Komponente mit einer gemeinsamen Spule als Sensor Zusammenwirken. Zur Drehzahlmessung kann ein gesonderter Aufnehmer vorhanden sein.
Die DE 10 2013 214 580 B4 hat eine angetriebene Radlagereinheit mit integrierter Drehmomentmessung zum Gegenstand. Das zu Grunde liegende Messprinzip wird in diesem Fall korrekt als inverser magnetostriktiver Effekt bezeichnet. Als Sensor, der die Veränderung von magnetischen Eigenschaften erfasst, kann eine Spule oder ein Halbleitersensor verwendet werden.
Verschiedene Messverfahren und -Vorrichtungen, die Hochpassfilterung und Tiefpassfilterung kombinieren, sind in den Dokumenten DE 196 21 185 A1 und DE 36 25 241 C2 beschrieben. In beiden Fällen ist eine Tiefpassfilterung einer Hochpassfilterung und mindestens einem weiteren Schritt der Signalverarbeitung nachgeschaltet.
Methoden der Signalverarbeitung in der Kraftfahrzeugtechnik, welche eine Bandpassfilterung von Signalen umfassen, sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 100 25 631 A1 und EP 1 264 749 B1 beschrieben. Im letztgenannten Fall kommt auch ein Tiefpassfilter zum Einsatz.
Hinsichtlich weiterer möglicher Anwendungen von Bandpassfiitem in der Messtechnik wird beispielhaft auf die Dokumente EP 1 153 270 B1 und EP 3 120 135 B1 hingewiesen. Im letztgenannten Fall erfolgt eine Signalverarbeitung unter Nutzung eines abstimmbaren Bandpassfilters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Methoden der Drehmomentmessung mit Tiefpassfilterung anzugeben, welche sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und Störungsunempfindlichkeit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Drehmomentmessung gemäß Anspruch 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Drehmomentmessverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die zur Durchführung solcher Messungen ausgebildete Vorrichtung, und umgekehrt.
Das Drehmomentmessverfahren geht davon aus, dass von einem Drehmomentsensor ein analoges Signal geliefert wird. Dieses analoge Signal wird zunächst digitalisiert und anschließend als digitales Signal weiterverarbeitet, wobei die digitale Weiterverarbeitung eine Filterung mit Tiefpasscharakteristik umfasst.
Die digitale Tiefpassfilterung hat zum einen den Vorteil, dass hierbei jegliche Störungen, die in Form elektromagnetischer Wellen in ein analoges Signal eingekoppelt werden, prinzipbedingt keine Rolle spielen können. Derartige Störungen können allenfalls innerhalb einer Signalübertragungsstrecke zwischen dem Drehmomentsensor und dem zur Digitalisierung genutzten A/D-Wandler von Bedeutung sein, wobei diese Strecke durch Anordnung der die digitale Signalverarbeitung einschließlich Filterung durchführenden Komponenten nahe am Drehmomentsensor kurzgehalten werden kann. Darüber hinaus können prinzipiell bekannte Mittel zur Abschirmung von Komponenten angewandt werden. Ein weiterer Vorteil der digitalen Tiefpassfilterung liegt darin, dass Parameter der Filterung auf einfache Weise, insbesondere softwaretechnisch, veränderbar sind.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bereits schwache analoge Störsignale, beispielsweise in der Größenordnung von wenigen mV, in bestimmten Frequenzbereichen, beispielsweise bei Frequenzen von mehr als 5 kHz, das Risiko, dass ein Ausgangssignal, welches typischerweise im Bereich von 0 V bis 5 V zu liegen hat, ein vorgegebenes Toleranzband verlässt, signifikant erhöhen. Dieses Risiko wird durch die digitale Tiefpassfilterung drastisch verringert. Der digitale Tiefpassfilter stellt somit im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, die insbesondere eine analoge Tiefpassfilterung umfassen können, ein wirksames Mittel dar, um die Drehmomentmessung robuster gegen von außen einwirkende hochfrequente Störungen zu machen.
Sofern im vorliegenden Fall überhaupt eine Einkopplung störender Signale in den analog arbeitenden Teil der Drehmomentmessvomchtung möglich ist, weisen solche Störungen in praktisch allen Anwendungsfällen eine hohe Frequenz auf, verglichen mit der Datenrate, mit welcher die digitalisierten Drehmomentwerte auszugeben sind. Dies ermöglicht ein hocheffizientes Eliminieren störender Einflüsse mittels des vollständig digital arbeitenden Tiefpassfilters. Insbesondere kann der Tiefpassfilter softwaretechnisch realisiert, das heißt als Softwarefilter ausgebildet sein. Da der Filter maßgeblich zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit, das heißt der EMV-Eigenschaften, beiträgt, wird er auch als EMV Software Filter bezeichnet.
Die eingangsseitige Datenrate des Tiefpassfilters beträgt typischerweise ein Mehrfaches der ausgangsseitigen Datenrate des Tiefpassfilters. Beispielsweise wird die Datenrate durch die Tiefpassfilterung auf ein Viertel, ein Achtel, oder einen noch kleineren Anteil der ursprünglichen, das heißt auf der Eingangsseite des Tiefpassfilters gegebenen Datenrate herabgesetzt. Insbesondere kann die Datenrate auf ein Zehntel der vor der Tiefpassfilterung gegebenen, bereits in Form eines digitalisierten Datenstroms vorliegenden Datenrate herabgesetzt werden.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen wird der Drehmomentsensor in Zeitabständen von 100 ps bis 300 ps abgetastet, während das digital tiefpassgefilterte Signal in Zeitabständen von 1 bis 3 ms weitergeleitet wird, insbesondere an ein in einen Datenbus eingebundenes Steuergerät. Durch das Steuergerät können die Daten der Drehmomentmessung insbesondere mit weiteren Messdaten verknüpft und in einer übergeordneten Regelung verwendet werden. Die Tiefpassfilterung, welche ausschließlich durch digitale Signalverarbeitung erfolgt, ist zum Beispiel auf einfache Weise realisierbar, indem der arithmetische Mittelwert von mindestens fünf und höchstens 20, insbesondere genau zehn, aufeinander folgenden digitalisierten Drehmomentwerten berechnet wird. Hierbei kann mit jedem neuen, digital vorliegenden Drehmomentwert eine neue Mittelwertberechnung erfolgen. Ebenso ist es möglich, die Mittelwertberechnungen lediglich in größeren zeitlichen Abständen, beispielsweise nach jedem zweiten oder jedem vierten oder jedem zehnten digitalisierten Messwert, durchzuführen. Allgemein ist sowohl die Möglichkeit gegeben, dass sich die Zeitintervalle, für die die Mittelwertberechnungen erfolgen, überlappen, als auch die Möglichkeit, dass die genannten Zeitintervalle überlappungsfrei aneinander gereiht sind.
Die Drehmomentmessung kann prinzipiell auf jeglichen physikalischen Prinzipien, beispielsweise auf der Erfassung geometrischer Änderungen, die mit Drehmomentänderungen einhergehen, basieren. Insbesondere kann zur Drehmomentmessung das inverse magnetostriktive Prinzip genutzt werden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass keine elektrischen Zuleitungen zu rotierenden Komponenten, in welchen ein zu messendes Drehmoment wirkt, benötigt werden.
Der Drehmomentsensor kann mittels eines Kabels, über das ein analoges Signal übertragen wird, mit einer Auswerteeinheit verbunden sein, die ebenfalls der Vorrichtung zur Drehmomentmessung zuzurechnen ist. Ebenso sind Ausführungsformen der Drehmomentmessvorrichtung realisierbar, in welchen der Drehmomentsensor mit der Auswerteeinheit zu einer Baueinheit zusammengefasst, insbesondere auf einer gemeinsamen Platine angeordnet, ist. In einem solchen Fall entfällt das analoge Signale übertragende Kabel zwischen dem Drehmomentsensor und der Auswerteeinheit.
Neben Wankstabilisatoren, die mit einem Drehmoment beaufschlagt sind, das mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren zu messen ist, sind als weitere Anwendungs- beispiele Steer-by-wire Lenkungen, insbesondere Space Drive Systeme, zu nennen. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente WO 2017/198549 A1 und US 7,970,514 B2 hingewiesen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
Fig. 1 in schematisierter Darstellung eine Anordnung zur Drehmomentmessung.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Messanordnung zur Drehmomentmessung umfasst einen Drehmomentsensor 2, welcher zur Detektion eines in einer Fahrwerkskomponente 3 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs wirkenden Drehmoments ausgebildet ist. Bei der Fahrwerkskomponente 3 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen Stabilisator. Der Fahrwerkskomponente 3 ist ein Torsionselement 4 zuzurechnen, welches einen magnetisierten Bereich 5 aufweist. An das eine zylindrische Grundform aufweisende Torsionselement 4 schließen sich an beiden Seiten stabförmige Abschnitte 6, 7 an, welche in der in Figur 1 skizzierten Anordnung in Form von Endabschnitten 8, 9 auslaufen. Der Drehmomentsensor 2 arbeitet in prinzipiell bekannter Weise nach dem inversen magnetostriktiven Prinzip. Hierbei werden Änderungen der magnetischen Eigenschaften ausgenutzt, welche auf Torsionsbelastungen zurückzuführen sind, die in der Fahrwerkskomponente 3 wirken. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion des Drehmomentsensors 2 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
An den Drehmomentsensor 2 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Auswerteeinheit mittels eines Kabels 11 angeschlossen, welches ein analoges Signal überträgt. In nicht dargestellter Weise können sich der zur Ausgabe eines analogen Signals ausgebildete Drehmomentsensor 2 und die Auswerteeinheit 10 auf einer gemeinsamen Platine befinden und damit eine Baueinheit bilden. Die Auswerteeinheit 10 wiederum ist mittels eines Datenbusses 12, welcher zur digitalen Informationsübertragung genutzt wird, mit einem Steuergerät 13 verbunden. Ein Mikrocontroller des Steuergerätes 13 ist mit 14 bezeichnet. Das Steuergerät 13 ist, ebenfalls über den Datenbus 12, mit einer weiteren Datenverarbeitungseinheit 15 verknüpft. Mittels der Datenverarbeitungseinheit 15 sind weitere Steuer- und Regelfunktionen innerhalb des Kraftfahrzeugs realisierbar. Insbesondere nutzt die Datenverarbeitungseinheit 15 Drehmomentsignale für eine übergeordnete Regelung.
Die der Messanordnung 1 zuzurechnende Auswerteeinheit 10 umfasst einen Mikrocontroller 16. Weitere Komponenten der Auswerteeinheit 10 sind ein Analog-Digital- Wandler 17 und drei Verarbeitungsmodule 18, 19, 20. Die blockweise Darstellung der Verarbeitungsmodule 18, 19, 20 bedeutet nicht zwangsläufig, dass es sich um physikalisch voneinander getrennte Einheiten handelt.
In jedem Fall empfängt die Auswerteeinheit 10 ein analoges Signal, welches kabelgebunden oder per Leiterbahnen vom Drehmomentsensor 2 übertragen wird. Die Ausgangsspannung des Drehmomentsensors 2 liegt hierbei im Bereich 0 Volt bis 5 Volt, wobei dem typischerweise in pT angegebenen, durch den Drehmomentsensor 2 erfassten Magnetfeld eine Spannung im genannten Bereich zugeordnet wird. Diese Spannung wird mittels des Analog-Digital-Wandlers 17 in einen digitalen Wert gewandelt. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt vollständig digital.
Zunächst wird im ersten Verarbeitungsmodul 18, welches auch als Berechnungsmodul bezeichnet wird, aus dem mittels des Analog-Digital-Wandlers 17 digitalisierten Wert ein Drehmoment berechnet. Das zweite Verarbeitungsmodul 19 stellt ein Sendemodul dar, welches zur Weitergabe des digitalisierten Drehmomentsignals innerhalb der Auswerteeinheit 10, optional auch an andere Empfänger über den Datenbus 12, ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall wird der Drehmomentsensor 2 in Zeitabständen von 100 ps bis 300 ps abgetastet, was der Senderate des Sendemoduls 19 entspricht. Dem Sendemodul 19 ist als drittes Verarbeitungsmodul 20 ein Softwarefilter nachgeschaltet. Mit Hilfe des Softwarefilters 20 werden insbesondere die EMV-Eigenschaften (elektromagnetische Verträglichkeit) der Messanordnung 1 gegenüber herkömmlichen Lösungen optimiert. Der Softwarefilter 20 hat die Charakteristik eines Tiefpassfilters. Dies wird erreicht, indem fortlaufend Mittelwerte aus mehreren, im vorliegenden Fall zehn, Signalen gebildet werden, welche vom Sendemodul 19 geliefert werden. Im Ergebnis wird ein tiefpassgefiltertes digitales Drehmomentsignal von der Auswerteeinheit 10 über den Datenbus 12 an das Steuergerät 13 übermittelt, wobei die zeitlichen Abstände zwischen dem gemittelten digitalisierten Werten im Bereich von 1 ms bis 3 ms liegen. Im Vergleich zur Datenrate, welche durch den Mikrocontroller 16 der Auswerteeinheit 10 zu verarbeiten ist, ist somit eine Reduktion der Datenrate um den Faktor 10 gegeben.
Die Einspeisung von analogen Störsignalen in die Messanordnung 1 ist auf zwei verschiedene Arten denkbar: Zum einen stellen hochfrequente Änderungen des vom Drehmomentsensor 2 erfassten Magnetfeldes eine denkbare Störung dar. Zum anderen ist die Einspeisung hochfrequenter Signale in das Kabel 11 denkbar. Die Frequenz des Störsignals kann im Bereich von mehr als 5 kHz liegen. Unabhängig von der Quelle der Störungen werden diese durch den softwaretechnisch realisierten Tiefpassfilter 20 mit hoher Effizienz eliminiert. Die digital tiefpassgefilterten Signale werden ohne relevante zeitliche Verzögerung von der Auswerteeinheit 10 an das Steuergerät 13 übertragen. Das Torsionselement 4 ist im vorliegenden Fall Teil eines aktiven Wankstabilisators.
Bezuqszeichenliste
Messanordnung
Drehmomentsensor
Fahrwerkskomponente
Torsionselement magnetisierter Bereich stabförmiger Abschnitt stabförmiger Abschnitt
Endabschnitt
Endabschnitt
Auswerteeinheit
Kabel zur Übertragung eines analogen Signals
Datenbus
Steuergerät
Mikrocontroller des Steuergerätes
Datenverarbeitungseinheit
Mikrocontroller der Auswerteeinheit
Analog-Digital-Wandler erstes Verarbeitungsmodul, Berechnungsmodul zweites Verarbeitungsmodul, Sendemodul drittes Verarbeitungsmodul, Softwarefilter

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Drehmomentmessung, wobei die Verarbeitung eines von einem Drehmomentsensor (2) gelieferten Signals eine Tiefpassfilterung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Drehmomentsensor (2) geliefertes analoges Signal zunächst digitalisiert und anschließend als digitales Signal mit Tiefpasscharakteristik weiterverarbeitet und -geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenrate durch die Tiefpassfilterung auf ein Achtel oder einen kleineren Anteil der ursprünglichen Datenrate herabgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (2) in Zeitabständen von mindestens 100 ps und höchstens 300 ps abgetastet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das tiefpassgefilterte Signal in Zeitabständen von mindestens 1 ms und höchstens 3 ms weitergeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefpassfilterung durch Bildung eines arithmetischen Mittelwertes mehrerer aufeinanderfolgender digitalisierter Drehmomentwerte erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Tiefpassfilterung der arithmetische Mittelwert von mindestens fünf und höchstens 20 aufeinanderfolgenden digitalisierten Drehmomentwerten berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentmessung kontaktlos durch Erfassung magnetischer Größen erfolgt.
8. Vorrichtung zur Drehmomentmessung, umfassend einen Drehmomentsensor (2) sowie eine an diesen angeschlossene, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgebildete Auswerteeinheit (10). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (10) mittels eines zur Übertragung eines analogen Signals vorgesehenen Kabels (11 ) an den Drehmomentsensor (2) angeschlossen ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmo- mentsensor (2) mit der Auswerteeinheit (10) zu einer Baueinheit zusammengefasst ist.
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