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Die Erfindung betrifft ein Drehmomentmessverfahren, welches eine Tiefpassfilterung eines Signals umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung einer Drehmomentmessung geeignete Vorrichtung.
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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 2013 207 936 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hinsichtlich weiterer möglicher Anwendungen von Bandpassfiltern 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sofern im vorliegenden Fall überhaupt eine Einkopplung störender Signale in den analog arbeitenden Teil der Drehmomentmessvorrichtung 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.
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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.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen wird der Drehmomentsensor in Zeitabständen von 100 µs bis 300 µs 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.
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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.
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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.
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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.
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Neben Wankstabilisatoren, die mit einem Drehmoment beaufschlagt sind, das mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren zu messen ist, sind als weitere Anwendungsbeispiele 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.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
- 1 in schematisierter Darstellung eine Anordnung zur Drehmomentmessung.
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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 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.
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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.
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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.
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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 µT 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.
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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 µs bis 300 µs abgetastet, was der Senderate des Sendemoduls 19 entspricht.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messanordnung
- 2
- Drehmomentsensor
- 3
- Fahrwerkskomponente
- 4
- Torsionselement
- 5
- magnetisierter Bereich
- 6
- stabförmiger Abschnitt
- 7
- stabförmiger Abschnitt
- 8
- Endabschnitt
- 9
- Endabschnitt
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Kabel zur Übertragung eines analogen Signals
- 12
- Datenbus
- 13
- Steuergerät
- 14
- Mikrocontroller des Steuergerätes
- 15
- Datenverarbeitungseinheit
- 16
- Mikrocontroller der Auswerteeinheit
- 17
- Analog-Digital-Wandler
- 18
- erstes Verarbeitungsmodul, Berechnungsmodul
- 19
- zweites Verarbeitungsmodul, Sendemodul
- 20
- drittes Verarbeitungsmodul, Softwarefilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013207936 A1 [0002]
- DE 102014201870 A1 [0003]
- EP 2225543 B1 [0004]
- DE 102013214580 B4 [0005]
- DE 19621185 A1 [0006]
- DE 3625241 C2 [0006]
- DE 10025631 A1 [0007]
- EP 1264749 B1 [0007]
- EP 1153270 B1 [0008]
- EP 3120135 B1 [0008]
- WO 2017198549 A1 [0020]
- US 7970514 B2 [0020]