-
Bei
mechanisch beweglichen Einrichtungen werden zur Erkennung von Relativpositionen
oder Relativbewegungen zunehmend Sensoren eingesetzt, um eine automatische
Steuerung zu ermöglichen.
Neben der Erfassung von Positionen oder Bewegung im gesamten technischen
Bereich finden sich zunehmend Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich,
beispielsweise zur optimalen Steuerung der Bremsfunktion, des Motors,
der Heizung oder Lüftung
und dergl. mehr. Bei einem Verbrennungsmotor wird beispielsweise
die jeweilige Position der Kolben in den Verbrennungszylindern durch
die jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle bestimmt. Zur optimalen
Steuerung der Treibstoffeinspritzung und der Ein- und Auslaßzeiten der Ventile ist ein
Sensor erforderlich, mit dem man die jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle
sehr genau bestimmen kann. Das gesamte Gebersystem soll dabei eine
Winkelauflösung aufweisen,
die als kleinsten Schritt 0,1 Grad und weniger erfaßt. Dies
stellt unter den rauhen Bedingungen im Kraftfahrzeugbetrieb eine
große
Herausforderung dar, da die Messung in einer Umgebung mit extremen
Temperaturschwankungen, Verschmutzungen, starken Vibrationen, einer
unstabilen Spannungsversorgung, kräftigen elektromagnetischen Störungen und
schließlich
großen
mechanischen Toleranzen infolge von Verschleiß und Fertigungsschwankungen
stattfindet. Daher sind hier besonders magnetische Sensoren gegenüber optischen
oder mechanischen im Einsatz. Die zahnradförmig ausgebildeten Geberräder werden
aus Kostengründen
und auf Grund der Robustheit meist aus einem einheitlichen Stück Stahl
gefräst
oder aus gestanzten Blechen zusammengesetzt. Die einzelnen Zähne beeinflussen
dann ein Magnetfeld im Bereich eines Sensors oder mehrerer Sensoren,
wobei diese aus der Änderung
des Magnetfeldes den Winkel des Geberrades erkennen. Durch unterschiedliche
oder ungleichförmige
Teilungen auf dem Geberrad, die von einem oder mehreren Sensoren
erfaßt
werden, wird im Bedarfsfall die Mehrdeutigkeit überwunden, so daß eine absolute
Winkelbestimmung ermöglicht wird.
-
Ein
Geberrad der Kurbelwelle weist beispielsweise 60 Zähne auf.
Jede Zahnflanke liefert dabei eine bestimmte Winkelinformation und
ihr Durchgang muß mit
der erforderlichen Genauigkeit erfaßt werden. Den einzelnen Zahnflanken
entsprechen die Übergangsflanken des
Sensorsignals, die beim Überschreiten
einer Schaltschwelle den Logikpegel des digitalen Ausgangssignals
der Sensoreinrichtung ändern.
Dieser Signalwechsel zeigt in der Empfängereinrichtung den Durchgang
der zugehörigen
Winkelposition des Geberrades an. Es ist sofort erkennbar, daß eine Verschiebung
der Schaltschwelle bei Sensorsignalen mit endlich steilen Signalübergängen direkt
den Zeitpunkt des vermeintlichen Flankendurchganges und damit die
Winkelgenauigkeit beeinflußt. Zwischen
dem Geberrad und dem Sensor existiert ein Luftspalt, dessen Größe einen
weiteren Einfluß auf
das Sensorsignal hat. Bei der Bestimmung des magnetischen Flusses
gibt es eine starke nichtlineare Abhängigkeit des Sensorsignals
durch den Luftspalt. Das Sensorsignal bildet so das Geberrad mit
den realen Zahnflankenübergängen verzerrt
ab. Diese Verzerrungen vergrößern zusätzlich die
Winkelfehler bei einer Veränderung
der Schaltschwelle. Zudem ist es auch nicht einfach, die Schwelle
so festzulegen, daß sie
von den vorhandenen Toleranzen möglichst
unabhängig
wird.
-
In
der
DE 694 02 586
T2 ist ein magnetfeldempfindlicher Drehwinkelsensor beschrieben.
Damit die Schaltschwellen zur Unterdrückung von Rauschen oder Unsicherheiten
bei der Erkennung der Schaltschwelle auch bei unterschiedlichen
Sensorbedingungen störungsfreie
Messergebnisse liefern, werden Hystereseschaltschwellen verwendet,
die mittels einer Schwellwertregeleinrichtung nachgeregelt sind,
wobei die jeweilige Schwellenlage in fester Relation zur maximalen
und minimalen Intensität
des gemessenen Magnetfeldes steht.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung einen genauen Sensor mit einer Schwellenregeleinrichtung
anzugeben, der weitgehend unabhängig
von den beschriebenen Nachteilen ist. Diese Aufgabe wird nach den Merkmalen
des Anspruchs 1 dadurch gelöst,
daß der Sensor
eine taktgesteuerte Abtasteinrichtung für die periodischen Sensorsignale
und eine Regeleinrichtung für
eine Schwelle aufweist. Die Schwelle wird dabei so geregelt, daß eine Aufteilung
der Abtastwerte in folgendem Sinne erfolgt: Das Verhältnis aus
der Anzahl der über
der Schwelle liegenden Abtastwerte, den positiven Abtastwerten,
zu der Anzahl der unterhalb der Schwelle liegenden Abtastwerte,
den negativen Abtastwerten, soll einem vorgegebenem Verhältniswert
entsprechen, der durch charakteristische Eigenschaften des zugeordneten
Gebersystems definiert ist.
-
Diese
Lösung,
die eine äquidistante
Abtastung der periodischen Sensorsignale erfordert, aus denen danach
die mit dem Verhältniswert
verknüpfte Schwelle
bestimmt wird, läßt sich
mit einfachen Mitteln innerhalb einer monolithisch integrierten
Sensoreinrichtung realisieren. Diese Lösung ist zusätzlich auch
weitgehend unempfindlich gegenüber
Offsetfehlern des eigentlichen Sensors und der daran angeschlossenen
Verstärker
und Verarbeitungsschaltungen. An die Zahngestaltung wird auch keine
spezielle Anforderung gestellt, sofern die Zahnflanken im entscheidenden
Bereich genau sind. Ungenauigkeiten im Abstand bei der Justierung
des Sensors, die sich primär
auf die Signalhöhe,
nicht jedoch auf den Winkelwert auswirken, wirken sich ebenfalls nicht
als Störgröße aus.
Je höher
die Abtastrate ist, um so genauer wird selbstverständlich das
kontinuierliche Sensorsignal erfaßt. Damit die entscheidenden
Flanken des Sensorsignals für
die Regelung rasch und genau erfaßt werden, soll die Frequenz des
Abtasttaktes mindestens doppelt so hoch sein, wie die höchste im
Sensorsignal enthaltene Signalfrequenz, die im wesentlichen die
Flankensteilheit bestimmt.
-
Besonders
einfach wird die Regelung der Schwelle, wenn die Gebereinrichtung
so ausgebildet ist, daß das
periodische Sensorsignal während
einer Periode eine gleichgroße
Anzahl von positiven und negativen Abtastwerten liefert und dies
möglichst gleichförmig verteilt.
Die Schwelle stellt in diesem Fall unabhängig von der Höhe der einzelnen
Abtastwerten die Mittellinie oder den Medianwert dar. Ein Zahnrad
mit einer 1:1 Teilung der Zähne
liefert beispielsweise derartige Abtastwerte. Aber auch ein Zahnrad mit
einer 1:1 Teilung, bei dem ein Zahn fehlt und dafür ein anderer
die doppelte Länge
hat. Oder ein Zahnrad mit einer 1:1 Teilung, bei dem ein Zahn nur
die halbe Länge
und dafür
eine Zahnlücke
ebenfalls nur eine halbe Länge
hat. Durch derartige gewollte Störungen
im Umlauf, die ihre Entsprechungen im periodischen Sensorsignal
aufweisen, läßt sich
ein Winkelbezugspunkt definierten, der eine absolute Winkelmessung
mit einem einzigen Geberrad und einem einzigen Sensor ermöglicht.
Die Beschreibung stellt selbstverständlich keine Beschränkung auf
rotierende Gebereinrichtungen dar, denn lineare Gebereinrichtungen
können
natürlich
entsprechend ausgebildet sein.
-
Die
Auswertung in diesem einfachen Fall der gleichen Anzahl von positiven
und negativen Abtastwerten erfolgt beispielsweise durch einen Vor-und-Rückwärtszähler, wobei
die positiven Abtastwerte in Vorwärtsrichtung zählen und
die negativen in Rückwärtsrichtung.
Die richtige Medianlage der Schwelle ist dann eingestellt, wenn
der Zählerinhalt
innerhalb eines kleinen Bereiches um den Nullwert herumpendelt.
Es ist dabei auch nicht einmal erforderlich, daß nur ganze Umlaufperioden
berücksichtigt
werden, wenn die Feinteilung des periodischen Signals ausreichend
ist, also ausreichend viele Zähne
pro Radumfang vorhanden sind. Bei einer falschen Lage der Schaltschwelle
akkumuliert sich der Fehler durch den unausgeglichenen Zählvorgang.
Dies bewirkt eine zunehmende Abweichung des Zählerinhaltes vom geforderten
engen Bereich um den Nullwert und entspricht einem integralen Regelverhalten.
Eine separate Speicherung des Nullwertes ist nicht erforderlich.
Eventuell kann der Bereich um den Nullwert als Sollbereich festgelegt
werden. Hierbei ist dann allerdings zu berücksichtigen, daß der Bereich
nicht nur von der Ausbildung des Geberrades, sondern auch von der
Taktfrequenz und der Drehzahl des Geberrades abhängig ist.
-
Wenn
das Geberrad aus bestimmten Gründen
so ausgebildet ist, daß bei
einem Umlauf die Anzahl der positiven Abtastwerte unterschiedlich
zu den negativen Abtastwerten ist, dann funktioniert der eben beschriebene
Vor-und-Rückwärtszähler nicht mehr.
Die Berücksichtigung
des Verhältnisses
der Anzahl der über
der Schwelle liegenden Abtastwerte zu der Anzahl der unter der Schwelle
liegenden Abtastwerte wird dann durch einen gespeicherten Verhältniswert
bestimmt, der durch die Ausführung
des zugehörigen
Geberrades definiert ist. Der Verhältniswert liefert die Gewichtungsfaktoren,
mit dem die positiven bzw. negativen Abtastwerte zu multiplizieren sind,
bevor sie je nach Vorzeichen zum bisherigen Akkumulatorinhalt addiert
bzw. von ihm subtrahiert werden. Dieser Additions- und Subtraktionsvorgang entspricht
dem Auf- und Abwärtszählen im
oben beschriebenen Vor-und-Rückwärtszähler. Es
stellt sich als Regelziel wieder ein gleichmäßig um den Wert Null pendelnder
Inhalt des kombinierten Addierers-und-Subtrahierers ein. Viele der erforderlichen Signaloperationen
oder Rechenvorgänge
können selbstverständlich auch
als Programmschritte in einer mitintegrierten oder separaten Recheneinrichtung
durchgeführt
werden. Auch die Anwendung zweckmäßiger Kombinationen ist in
das Belieben des Fachmannes gestellt.
-
Ein
Beispiel mit einem Zahnrad, bei dem die Zahnbreite zu Zahnlücke nicht
mehr einander gleich ist, soll dies verdeutlichen. Bei konstanter
Rotation dieses Geberrades entspricht die Anzahl der positiven zur
Anzahl der negativen Abtastwerte beispielsweise einem Verhältniswert
von 3:4. Hier wird bei jedem positiven Abtastwert der Wert 4 zum
vorhandenen Akkumulatorinhalt hinzuaddiert und bei jedem negativen
Abtastwert der Wert 3 vom vorhandenen Akkumulatorinhalt abgezogen.
Die aktuelle Schwelle wird dann je nach dem Vorzeichen des Akkumulatorinhalts
abgesenkt oder erhöht.
Auch hier ist es nicht erforderlich, jeweils nur ganze Perioden
des Sensorsignals auszuwerten, wenn seine Feinteilung ausreichend
fein ist.
-
Da
die Ausgangsstufe zweckmäßigerweise identisch
zur Regeleinrichtung an den Sensor angeschlossen ist, dessen Signalverstärker und
möglichst viele
Stufen der Regeleinrichtung mitverwendet, wird bei der Bildung des
digitalen Ausgangssignals keinerlei zusätzlicher Offset erzeugt, der
die Winkelbestimmung auf der Empfängerseite verfälschen kann.
-
In
vielen Fällen
ist es erforderlich die Winkellage nicht nur im regulären Betrieb,
sondern auch im Anlauffall festzustellen, um möglichst rasch eine Winkeländerung
zu erkennen. Die Genauigkeitsanforderungen sind hierbei geringer.
Die Hauptschwierigkeit besteht in der Abhängigkeit der Schwelleneinstellung von
der Regeleinrichtung, die ohne eine ausreichende Anzahl von Abtastwerten
keine Schwelle bestimmen kann. Diese Schwierigkeit umgeht der Sensor, indem
er einen Startbetriebszustand aufweist, bei dem die Lage der Schwelle
fest vorgegeben oder durch eine Interpolation mindestens zweier
Abtastwerte bestimmt ist. Die Schwelle ist auf diese Weise nur vorläufig festgelegt.
Sie reicht jedoch auch, um festzustellen, ob eine Sensorsignalflanke
auftritt oder nicht. Im Startbetriebszustand, der auf übliche Weise durch
Anlegen der Versorgungsspannung an ein mitintegiertes Zeitglied
ausgelöst
wird, wird auch der zufällige
Inhalt des Zählers
oder Akkumulators gelöscht,
wenn sich dieser nicht sowieso im Nullzustand befindet. Die Umschaltung
vom Startbetriebszustand in den normalen Betriebszustand ist ziemlich
unkritisch, wenn sichergestellt ist, daß in der Zwischenzeit die Regeleinrichtung
im stationären
Betrieb ist und das Regelziel – also
beispielsweise den Zählerstand Null – zumindest
nahezu erreicht hat. Ein Kriterium hierfür kann der Ablauf eines vorgegebenen
Zeitintervalls sein, das ausreichend lang ist. Oder aus Versuchen
ergibt sich, daß nach
einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten ebenfalls das Regelziel
erreicht wird. Oder das Ende des Startbetriebszustandes wird durch
das Erkennen einer oder mehrerer Perioden des Sensorsignals ausgelöst. Schließlich kann
auch das Erreichen eines genügend
kleinen Zähler-
oder Akkumulatorinhaltes den Übergang
in den normalen Betriebszustand auslösen.
-
Damit
die externe Auswerteeinrichtung während des Startbereiches mit
einem definierten Signal versorgt wird, liefert die Ausgangsstufe
zweckmäßigerweise
zunächst
ein Ausgangssignal mit einem vorgegebenen logischen oder einem neutralen
Zustand, der auch floatend sein kann. Um den Durchgang der ersten
Zahnflanke zu signalisieren ändert die
Ausgangsstufe beim Durchgang der ersten Flanke entweder den Zustand
des Ausgangssignals oder erzeugt auf dem Ausgangssignal ein Impulssignal aus
einem oder mehreren Impulsen und behält danach den bereits vorher
vorhandenen Logikpegel bis zur nächsten
Flanke bei. Das Impulssignal hat somit anzeigt, daß ein erster
Flankendurchgang des Sensorsignals stattgefunden hat, und daß der im
Startbetriebszustand zunächst
vorgegebene Logikzustand des Ausgangssignals nun dem gültigen Logikpegel entspricht.
-
Bei
einer Beschleunigung innerhalb eines kleineren Winkelbereichs stimmt
der vorgegebene Verhältniswert
nicht mehr mit dem aktuell gemessenen Verhältniswert überein und es wird kurzeitig
ein mehr oder weniger großer
Ausreißer
des Zähler- oder
Akkumulatorinhaltes festgestellt. Hierdurch läßt sich ein Signal erzeugen,
das eine Beschleunigung anzeigt. Über das Vorzeichen der Änderung
ist auch eine Aussage über
die Richtung der Beschleunigung, also eine echte Beschleunigung
oder eine Abbremsung, möglich.
Die Höhe
der Änderung
läßt eine
Aussage über
den jeweiligen Wert der Beschleunigung oder Abbremsung zu. Fehlzündungen
in einem Verbrennungsmotor lassen sich auf diese Weise sehr leicht
erfassen. Es muß lediglich überprüft werden, ob
sich zwischen zwei oder mehreren Flankendurchgängen der durch die positiven
und negativen Abtastwerte bestimmte Verhältniswert geändert hat.
Hierzu können
Funktionseinheiten der Regeleinrichtung mitverwendet werden. Erforderlich
ist ein separater Zähler,
dessen Zählvorgang
synchron zu einem Flankendurchgang beginnt und synchron zum Durchgang nach
einer geraden Anzahl von Taktflanken wieder aufhört.
-
Zweckmäßig für das Geberrad
ist ein ferromagnetisches Multipolrad oder ein komplementäres Rad,
dessen Magnetfeld mit Differentialsensoren erfaßt wird. Die Erfindung und
vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand der Figuren der Zeichnung
näher erläutert:
-
1 zeigt
schematisch in linearer Abwicklung einige Zähne eines Geberrades mit zugehörigem Magnetfeld
und Sensorsignalen,
-
2 zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
des Sensors und
-
3 zeigt
schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
des Sensors.
-
In 1 sind
in Diagrammform untereinander einige Darstellungen angebeben, die
der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens dienen.. Die Diagrammachse
ist gleichzeitig als Streckenachse s und als Zeitachse t angegeben.
Dies ist unter der Annahme einer konstanten Bewegung der Gebereinrichtung
möglich,
die in der ersten Zeile schematisch als gleichförmige Zahnteilung dargestellt
ist. Das gewählte
Verhältnis
zwischen den einzelnen Zähnen und
den Zahnlücken
beträgt
dabei 1:1. Die erste Zeile entspricht einer linearen Anordnung einer
Gebereinrichtung mit Zähnen
oder der Abwicklung eines Geberrades. Alle Zähne erstrecken sich zwischen
einer maximalen Zahnhöhe
Zmax und einer minimalen Zahnhöhe
Zmin.
-
In 1 sind
die Übergänge, also
die Zahnflanken, zwischen dem geraden Zahndach und dem geraden Zahngrund
ebenfalls gerade. Dieser vereinfachte Zahnverlauf ist natürlich nicht
zwingend und kann beliebig anders ausgeführt sein. Auch die dargestellte
Symmetrie ist nicht erforderlich, denn die An- und Abstiegsflanken
f1 bzw. f2 können
in Steigung und Form zueinander unterschiedlich sein. Wichtig ist
allein eine Bezugshöhe
Zo, die im dargestellten Beispiel von Zeile 1 in der Mitte
zwischen den Extremwerten Zmax und Zmin liegt. Diese Bezugshöhe Zo definiert
durch die Schnittpunkte mit den An- und Abstiegsflanken f1 bzw.
f2 das Verhältnis
zwischen den Zahnlücken
und den Zähnen.
Bei einer anderen Form der Zahnflanken f1, f2 kann die Bezugshöhe Zo auch
an anderer Stelle liegen und trotzdem exakt ein 1:1 Zahn-Lückenverhältnis definieren. Wenn
im angenommenen Beispiel von 1 bei identischer
Zahnform die Bezugshöhe
in Richtung des Zahngrundes wandert, dann definiert die neue Bezugshöhe Zo* nicht
mehr das Verhältnis
1:1, sondern einen anderen Wert. Die Zahnlücke ist nun kleiner geworden,
während
sich die Zahnbreite vergrößert hat.
Der Durchgang der Zahnradflanke an der jeweiligen Bezugshöhe Zo bzw.
Zo* hat aber nicht nur einen relativ Einfluß auf das Zahn-Lückenverhältnis, sondern auch einen absoluten..
Die neue Position p* der Flanke hat sich nun scheinbar um die Strecke
ds gegenüber
der ursprünglichen
Position p verschoben. Dem entspricht bei einer gleichförmigen Bewegung
eine zeitliche Verschiebung des scheinbaren Flankendurchgangs um
den Wert dt.
-
Die
Auswirkung derartiger Ungenauigkeiten bei der Bezugshöhe Zo sind
noch gravierender, weil die Lage der Zahnflanken und ihr Durchgang
nicht direkt, sondern mittels eines Magnetfeldsensors und des durch
die Zähne
beeinflußten
magnetischen Feldes B bestimmt wird. In der zweiten Zeile von 1 wird
dies verdeutlicht. Dem Verlauf der Zähne entspricht der Verlauf
eines Magnetfeldes B, das wegen seiner starken Nichtlinearität die Zahnform
der ersten Zeile sehr verzerrt wiedergibt. Die horizontalen Linien a,
b, c zeigen drei unterschiedliche Bezugshöhen und die Diagramme e, f,
g die zugehörigen
Zahn-Lückenverhältnisse.
-
Die
Bezugshöhe
a befindet sich genau in der Mitte zwischen dem maximalen und minimalen
Magnetfeld Bmax bzw. Bmin. Das resultierende Zahn-Lückenverhältnis e
gibt die Zähne
viel zu schmal wieder, während
der Zahngrund viel zu breit ist. Eine derartige Bezugshöhe a ergibt
sich beispielsweise aus einer Mittelwertregelung, die mit den Extremwerten Bmax
und Bmin durchgeführt
wird.
-
Die
Bezugshöhe
b entspricht einer arithmetischen Mittelwertbildung des örtlichen
und zeitlichen Magnetfeldverlaufes B, wodurch die Bezugshöhe b mehr
in Richtung des Zahngrundes liegt. Dies vergrößert gegenüber dem Diagramm e die Zahnbreite. Das
resultierende Zahn-Lückenverhältnis f
verbessert sich im Sinne der gewünschten
Abbildung der Zähne.
Eine derartige Mittelwertbildung wird beispielsweise durch eine
kapazitive Ankopplung des Sensorsignals erreicht. Die Verbesserung
ist deutlich erkennbar, reicht jedoch wegen der starken Nichtlinearität des Magnetfeldes
B immer noch nicht aus.
-
Wenn
bei der arithmetischen Mittelwertbildung die Zeitkonstante relativ
klein ist, dann ergibt sich ein mehr oder weniger deutlicher Sägezahnverlauf
für den
Mittelwert, etwa entsprechend der Punktlinie d im Diagramm der zweiten
Zeile. Im bereits erwähnten
Anlauffall ist eine derartige Mittelwertbildung d zur vorläufigen Schwelleneinstellung
zweckmäßig, weil
damit rasch eine brauchbare Schwelle für die Auffindung eines ersten Flankendurchganges
gefunden wird. Wenn die Zeitkonstante sehr klein ist, oder die Regelverstärkung sehr
hoch ist, dann folgt der Mittelwert gleichsam dem Sägezahnverlauf
und bildet diesen ab. Dies kann beispielsweise im Anlauffall der
raschen Auffindung der ersten Zahnflankendurchgänge dienen.
-
Erst
wenn im Beispiel von 1 die Bezugshöhe c noch
tiefer als die arithmetische Mittellinie b gelegt wird, ergibt sich
als Meßwert
wieder das ursprünglich
beabsichtigte 1:1 Zahn-Lückenverhältnis, wie
das Diagramm g zeigt. Zudem liegen auch die Flankenbezugspunkte
p0, pc, pg wieder auf identischen Positionen s, wodurch auch die
tatsächlichen Zahnflanken-Durchgangszeiten
richtig erfaßt
werden. Die Festlegung der Bezugshöhe c erfolgt dabei nach einem
ganz anderen Verfahren, bei dem die Absolutwerte der Sensorsignale
keine Rolle mehr spielen. Das Sensorsignal, das dem Magnetfeld B
entspricht, wird mit relativ hoher Frequenz abgetastet und es wird
dabei geprüft,
ob die jeweiligen Abtastwerte des Sensorsignals größer oder
kleiner als eine steuerbare Schwelle sind. Anfangs ist die Höhe dieser
Schwelle allerdings noch nicht bekannt.
-
Aus
Zeile 1 von 1 mit der schematischen Zähnedarstellung
Z ist ersichtlich, daß entsprechend dem
Zahn-Lückeverhältniswert
1:1 bei der richtigen Bezugshöhe
Zo im Mittel genau so viele Abtastwerte oberhalb wie unterhalb der
Bezugshöhe
Zo liegen müssen.
Wenn dies nicht zutrifft, dann liegt eine falsche Bezugshöhe Zo* vor
die entsprechend geändert werden
muß. Der
jeweiligen Bezugshöhe
Zo* entspricht dabei die bereits erwähnte steuerbare Schwelle. Da
lediglich zwischen den oberhalb und unterhalb der Schwelle liegenden
Abtastwerten unterschieden werden muß, entfällt die Höhe der Abtastwerte und nur
ihr Vorzeichen ist von Interesse. Das vereinfacht die Auswertung
und Regelung der Schwelle ungemein, da einfache digitale Mittel
zur Auswertung ausreichen. Die Regelung kann zudem durch Erhöhung der
Abtastrate beliebig genau gemacht werden, und es gibt auch keine
Alterungs- oder Toleranzprobleme. Der Regelvorgang besteht im wesentlichen
darin, daß ein
Vor-und-Rückwärtszähler je
nach Regelrichtung durch die positiven Abtastwerte vorwärts und
durch die negativen Abtastwerte rückwärts gezählt wird, wobei der Sollwert
im zeitlichen Mittel um den Nullwert herum liegen muß. Dieses
Kriterium ist sehr einfach zu erfassen. Weicht das Zählergebnis
davon ab, dann wird die Schwelle c im richtigen Sinn nachgeregelt,
bis der Zählerstand den
Nullwert erreicht.
-
In 2.
ist als Blockschaltbild schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Ein Schaltungsblock 1 enthält im Sensorsignalzweig
den eigentlichen Sensor und die zugehörigen Versorgungseinrichtungen
für den
jeweiligen Sensortyp, der insbesondere zur Erfassung von Magnetfeldern
geeignet ist. Dieser Sensor 1 liefert entsprechend dem
zugehörigen
Gebersystem 2 ein periodisches Sensorsignal s1, das mittels
eines Verstärkers 3 verstärkt wird
und ein verstärktes
Sensorsignal s2 erzeugt. Ein Komparator 4 mit einer steuerbaren
Schwelle s8 erzeugt daraus ein Komparatorsignal s3, das lediglich
zwei Zustände
aufweist, je nach dem ob das Signal s2 größer oder kleiner als die Schwelle
s8 ist. Schließlich
bildet eine leistungsfähige
Ausgangsstufe 5 aus dem Komparatorsignal s3 ein digitales
Ausgangssignal s4. Dieses Signal s4 am Sensorausgang 6 steuert
dann über
mehr oder weniger lange Signalleitungen Auswerteeinrichtungen wie Prozessoren
usw. an, die in 2 nicht dargestellt sind.
-
Die
anderen Schaltungsteile von 2 dienen
im wesentlichen der Steuerung der Schwelle s8 im Komparator 4.
Hierzu wird das nur zwei Zustände aufweisende
Komparatorsignal s3 einer Abtasteinrichtung 7 zugeführt, die
je nach dem Vorzeichen des Komparatorsignals s4 einen positiven
oder negativen Abtastwert s5 bzw. s6 an einem Ausgang 7.1 bzw. 7.2 erzeugt.
Die Abtastrate wird von einer Taktquelle 8 gesteuert, die
einen ausreichend hochfrequenten Takt cl liefert. In diesem einfachen
Fall der Abtastung handelt es sich lediglich um die Betätigung eines Schalters
für den
Takt cl, der in Abhängigkeit
vom Zustand des Komparatorsignals s3 gesteuert wird und den Taktimpuls
cl entweder auf den Ausgang 7.1 oder den Ausgang. 7.2 durchschaltet.
-
Die
Auswertung der positiven und negativen Abtastwerte s5, s6 erfolgt
in einer Auswerteeinrichtung 9, die im einfachsten Fall
einen Vor-und-Rückwärtszähler enthält. Dessen
Zählerinhalt
s7 wird einer Schwellensteuereinrichtung 10 zugeführt, die
die Schwelle s8 im Komparator 4 steuert. Weicht der Zählerinhalt
s7 vom Nullwert, ab, dann wird die Schwelle so lange geändert, bis
der Nullwert erreicht wird. Die Zeitkonstante dieser Regelung ist
durch die Empfindlichkeit der Schwellensteuereinrichtung 10 vorgebbar,
wodurch eine Anpassung an die Periodendauer des Sensorsignals s1
und dessen Feinteilung erfolgt. In 2 sind die
Auswerteeinrichtung 9 und die Schwellensteuer einrichtung 10 funktionell
als eine Regeleinrichtung 11 zusammengefaßt. Weitere Funktionseinheiten
können
selbstverständlich
ebenfalls einbezogen werden, wie beispielsweise die Abtasteinrichtung 7,
die Taktquelle 8, oder eine Speichereinrichtung 12.
-
Die
Speichereinrichtung 12 enthält beispielsweise einen Verhältniswert
s9 zur Gewichtung der positiven und negativen Abtastwerte s5 bzw.
s6 oder eine vorläufige
Schwelle s10, die während
des Startbetriebszustandes die Schwellensteuereinrichtung 10 steuert.
-
Die
Auslösung
des Startbetriebszustandes und die Umschaltung auf den normalen
Betriebszustand erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 13.
Sie enthält
ein Zeitglied, dem über
eine Versorgungsklemme 14 eine Versorgungsspannung U zugeführt ist.
Beim Anlegen der Versorgungsspannung U wird das Zeitglied aktiviert.
Uber Steuersignale st werden dann die nicht näher dargestellten Steuerfunktionen aktiviert.
Zur Auslösung
der einzelnen Steuersignals st ist die Steuereinrichtung 13 selbstverständlich mit verschiedenen
Funktionseinheiten gekoppelt, um deren Zustände oder Signale zu erfassen.
Hierzu dient beispielsweise das Komparatorsignal s3, das dazu dient,
den jeweiligen Flankendurchgang eines Zahnes zu erkennen. Oder über das
Komparatorsignal s3 läßt sich
auch allein exakt erkennen, wann eine Periode des Sensorsignals
s1 beginnt oder endet. Wenn das Komparatorsignal nach der Ausgangsstufe 5 abgenommen
wird, dann ist auch eine Regelung auf sehr unterschiedliche kapazitive
Ausgangslasten möglich,
die ansonsten eine unerwünschte
Zeitverschiebung auf der Empfängerseite
bewirken. Die Steuereinrichtung 13 ist beispielsweise auch
mit der Ausgangsstufe 5 oder dem Komparator 4 gekoppelt, um
im Startbetriebszustand ein definiertes Ausgangssignal s4 zu erzeugen.
-
In 3 ist
in vereinfachter Form ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Zur Vereinfachung sind die Funktionseinheiten, die
identisch zu den Funktionseinheiten von 2 sind,
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine nochmalige Beschreibung
ihrer Funktion erübrigt
sich. Der wesentliche Unterschied von 3. zu 2 besteht darin,
daß die
Regeleinrichtung 11 und Abtasteinrichtung 7 von 2 zu
einer einzigen Schwellenregeleinrichtung 15 zusammengefaßt sind,
deren Eingang mit dem analogen Sensorsignal s2 gespeist ist. Die Schwellenregeleinrichtung 15 erfordert
dadurch einen eigenen Komparator, der zur Offsetvermeidung möglichst
gleich zum Komparator 4 ausgeführt sein soll. Diese Anordnung
hat jedoch den Vorteil, daß in der
Schwellenregel einrichtung 15 die Informationen über den
aktuellen Flankendurchgang direkt zur Verfügung stehen und damit auch
Informationen über den
Beginn oder das Ende einer Periode des Sensorsignals. Wird beispielsweise
ein separater Vor-und-Rückwärtszähler durch
einen Flankendurchgang gestartet, dann zeigt der Zählerinhalt
nach einer geradzahligen Anzahl von Flankendurchgängen an, ob
das Gebersystem während
dieser kurzen Zeit beschleunigt oder abgebremst wurde. Ein entsprechendes
Beschleunigungssignal s11, kann dann an einem Ausgang 16 abgegeben
werden. Im Startbetriebsbereich wird durch den Anschluß an das
analoge Sensorsignal s2 auch eine arithmetische Mittelwertbildung
zur raschen Schwelleneinstellung ermöglicht. Wie bereits beschrieben
kann damit der Durchgang der ersten Flanke erfaßt werden. Zur Erfassung der der
Flankendurchgänge
kann das Komparatorsignal s3 auch als zusätzliches Signal s3' der Schwellenregeleinrichtung 15 zugeführt werden.
Die Steuereinrichtung 13 erzeugt neben den nicht näher definierten Steuersignalen
st die Steuersignale st1 und st2, die der Schwellenregeleinrichtung 15 bzw.
der Ausgangsstufe 5 zugeführt sind.
-
Wenn
im Anlauffall die Regelsteilheit der Regeleinrichtung 11 oder
der Schwellenregeleinrichtung 15 bei einer kleinen Regelzeitkonstante
ausreichend hoch ist, dann folgt die mitlaufende Schwelle direkt der
Zahnform Z wie bei einem Sigma-Delta-Wandler. Eine nachgeschaltete Mittelwertbildung
liefert dann auf einfachste Weise die Schwelle für die ersten Zahnflankendurchgänge. Zur
Erhöhung
der Regelsteilheit läßt man beispielsweise
den Vor-und-Rückwärtszähler keine
Einzelschritte zählen,
sondern Vielfache davon. Im einfachsten Fall wird dies durch eine
einfache Stellenverschiebung der zugeführten Zähleinheiten oder durch einen
anderen Stelleneingang beim Zähler
bewirkt. Entsprechend verhält
es sich beim Akkumulator, dem zur Erhöhung der Regelsteilheit Vielfache
der Gewichtungsfaktoren zugeführt
sind. Die Erhöhung
der Regelsteilheit wird nach dem Startbetriebszustand zurückgenommen.