DE3031357A1

DE3031357A1 - Kombinierte inkrement- und bezugsmarkenerkennung fuer eine rotierende welle, insbesondere die kurbelwelle einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3031357A1
Application number: DE19803031357
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Hauler; Manfred Dipl.-Ing. 7527 Kraichtal Rothley; Erich Dipl.-Ing. Dr. 7500 Karlsruhe Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-08-20
Filing date: 1980-08-20
Publication date: 1982-04-08
Also published as: JPS5746117A; FR2488997B3; IT1137815B; FR2488997A3; IT8123400A0; DE3031357C2

Description

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1U.8.1980 Lr/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1

Kombinierte Inkrement- und Bezugsmarkenerkennung für eine rotierende Welle, insbesondere die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Geber zur Erfassung der Drehzahl und eines durch eine Bezugsmarke festgelegten Drehwinkels einer Felle, insbesondere der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit Hilfe eines mit der Welle umlaufenden, zylindrischen Körpers, der an seinem Umfang mehrere, in Drehrichtung hintereinanderliegende, aus je einer magnetisch hoch wirksamen Zone und e'iner magnetisch schwach wirksamen Zone, vorzugsweise aus je einem Zahn und einer anschließenden Zahnlücke bestehende Winkelsegmente aufweist, die untereinander kongruent ausgebildet sind, und mit einem diese Segmente abtastenden, beim Vorbeilauf jeder der magnetisch hoch wirksamen Zonen einen Winkelimpuls liefernden magnetfeldabhängigen Sensor, insbesondere einer Feldplatte oder einem Hallgenerator.

Aus der R. ^5^-8 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines in der Amplitude drehzahlunabhängigen Signales bekannt, die ein mit einer Welle umlaufendes Zahnrad enthält, dem eine Sensoranordnung mit einem Hall-Element, einem Permanentmagneten und mit einem Flußleitstück zugeordnet

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ist, wobei das Hall-Element, der Permanentmagnet und das Flußleitstück eine U-fÖrmige Anordnung bilden, deren einer Schenkel einem ersten Zahn und deren zweiter Schenkel zweiten Zahn des Zahnrades abwechslungsweise gegenübertreten, wobei die beiden Zähne einen magnetisch hochwirksamen Rückschluß für das vom Permanentmagneten ausgehende Magnetfeld bilden. Dort entstehen bei jedem Umlauf des Zahnrades gleichsinnige Impulse, deren Anzahl der Zähnezahl entspricht. Diese Impulse können zur Inkrementerkennung ausgewertet werden. Zur Verwendung der bekannten Anordnung beim Betrieb von Brennkraftmaschinen ist ein achsparallel von der Zahnscheibe abstehender Stift vorgesehen, welcher eine zur Auslösung von Einspritzoder Zündvorgängen dienende Bezugsmarke bildet. Zur Erfassung dieser Bezugsmarke ist in der bekannten Anordnung einer zweiter, bevorzugt induktiv arbeitender Sensor vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde anstelle .einer solchen, mit zwei Sensoren arbeitenden Anordnung die Drehzahl- und Bezugsmarkenerfassung mit einem einzigen Geber durchführen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Umfangsflache des zylindrischen Körpers in zwei axial nebeneinanderliegende Spuren unterteilt ist, denen jeweils einer von zwei maghetfeidempfindlichen Halbleitern gegenübersteht und daß in einer der beiden Spuren ■die Bezugsmarke (BM) durch ein sich an mindestens zwei kongruente Inkremente (s) anschließendes, nicht kongruentes Bezugsmarkeninkrement gebildet ist, das sich durch das Fehlen einer magnetisch hoch wirksamen Zone, insbesondere eines Zahnes auszeichnet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergehen sich aus den Unteransprüchen in Verhindung mit dem nachstehend ■beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsheispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 als Prinzipanordnung einen Anlasserzahnkranz, hei welchem die magnetisch hoch -wirksamen Zonen durch je einen Zahn und die magnetisch schwach wirksamen Zonen durch je

^ eine zwischen zwei Zähnen liegende Zahnlücke gehildet ist,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus diesem Zahnrad, ebenfalls in perspektivischer Darstellung und eine Sensoreinrichtung mit vierhöckriger Leitplatte mit vier als magnetfeldabhängige Widerstände dienenden Feldplatten, Fig. 3 eine zur Gewinnung einer drehzahlsynchronen Folge von Inkrementimpulsen und zur Gewinnung der Bezugsmarke (BM) dienende Schaltungsanordnung für die Feldplatten (FP), Fig. k eine Abwicklung der Umfangszone des Zahnrades nach Fig. 1 mit einer Darstellung der an den Verbindungspunkten AB in der Auswerteschaltung nach Fig. 3 gewonnen Spannungen, die beim Umlauf des Zahnrades auftreten,

Fig. 5 einen anderen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Abtasteinrichtung, welche für jede der beiden Spuren nur eine von zwei Feldplatten und einen gemeinsamen Permanentmagnet aufweist j

Fig. 6 eine Auswerteschaltung für die Anordnung nach Fig. zur Ermittlung der Drehzahl η und der Bezugsmarke BM, Fig. 7 eine andere Sensoranordnung mit einer dreihöckerigen Polplatte mit drei Feldplatten, nämlich zwei Feldplatten FP1 und FP2 zum Abtasten der Inkrementspur und einer dritten Feldplatte FP3 zum Abtasten der Bezugsmarkenspur und

Fig. 8 eine Auswerteschaltung für die an den Anschlußstellen A₅ B, C entstehenden, durch eingeprägte Ströme erzeugten Spannungen, deren zeitlicher Verlauf unterhalb der Schaltungsanordnung wiedergegeben ist. Ferner zeigt Fig. 9 eine Abtasteinrichtung mit einer zweihöckerigen Polplatte mit zwei Feldplatten FP1 und FP2, die nur die Bezugsinarkenspur abtasten und

Fig. 10 eine Auswerteschaltung hierfür sowie Fig. 11 die in diesen Feldplatten erzeugten Spannungen in ihrem zeitlichen Ablauf. Schließlich zeigt Fig. 12 eine Alternativlösung, bei welcher statt der von den Zähnen gebildeten, magnetisch hochwirksamen Zonen am Umfang einer Kreisscheibe in abwechselnder Folge Nord- und Südpole von in Umfangsrichtung der Scheibe polarisierten Dauermagneten vorgesehen und die Bezugsmarke durch einen fehlenden Pol oder durch einen querstehenden Dauermagneten festgelegt ist.

Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist in allen Fällen die Verwendung des mit der Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschinen umlaufenden, zum Starten der Brennkraftmaschine dienenden Anlasserzahnkranzes vorgesehen, der an seinem Umfang mehrere, in Drehrichtung hintereinanderliegende, aus je einer magnetisch hochwirksamen Zone und einer magnetisch schwach wirksamen Zone bestehende Inkremente s aufweist. Jedes dieser Inkremente s enthält einen als magnetisch hochwirksame Zone dienenden Zahn 11, der parallel zur Drehachse 12 der Anlasserscheibe verläuft und von den nächstfolgenden, zum nächsten Inkrement gehörenden Zahn 11 durch eine Zahnlücke 13 getrennt ist, welche als magnetisch schwach wirksame Zone dient.

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Um eine kombinierte Inkreinent- und Bezugsmarkenerkennung zu erzielen, ist die Umfangsflache des Zahnrades 10 durch eine in der Zeichnung mit unterbrochenen Linie angedeutete, auf der Drehachse 12 senkrecht stehende Ebene 1h in zwei Spuren unteHieil-t »■ nämlich eine Inkrementspur 15 und eine : Bezugsmarkenspur 16. In der Bezugsmarkenspur ist eine Bezugsmarke BM in der Weise erzeugt, daß ein in Figur 1 durch das Bezugszeichen 17 hervorgehobener Zahn auf die Hälfte seiner axialen Länge verkürzt ist. Dadurch ergibt sich in der Inkrementspur 15 eine ununterbrochene Zahnfolge, während in der Bezugsmarkenspur die Zahnfolge von der Be- \^ zugsmarke BM unterbrochen ist. Die Ausbildung der Bezugsmarke kann modifiziert und optimiert werden, z.B. dadurch, daß ein gewisser Rest des abgetragenen Zahnes noch stehenbleibt oder ein schräger Übergang zwischen dem unversehrten Zahn-17 und dem abgetragenen Teil vorgesehen ist. Da beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Einspurweg des nicht wiedergegebenen Einspurritzels eines Anlassers sich nur über die halbe axiale Länge der Zähne 11 erstreckt, wird der Anlaßvorgang durch die Bezugsmarke BM-ni"cht behindert.

Figur 2 zeigt die umfassendste, allgemeinste Anordnung zum Abtasten der Inkremente (der Drehzahl n) und der Bezugsmarke BM;des Zahnrades 10. Diese umfaßt insgesamt vier Feldplatten FP1, FP2, FP3 und FPlt, welche jeweils an ihren nicht näher bezeichneten Ausgangsklemmen eine Spannung aufweisen, die von einem die Feldplatten durchsetzenden Magnetfeld erzeugt werden und von der Größe dieses Magnetfeldes abhängig ist. Die Feldplatten FP1 bis FPit sitzen unmittelbar an der Stirnseite je eines der vier Höcker 21 bis 2^ einer weichmagnetischen Hökkerplatte 20, die an ihrer Unterseite großflächig auf einem Pol, z.B. Hordpol Ή, eines Permanentmagneten 25

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aufliegt. Die beiden Feldplatten FP1 und FP2 tasten nur die Inkrementspur 15 ab, während die beiden anderen Feldplatten FP3 und FPk der Bezugsmarkenspur 16 zugeordnet sind. Venn die vier Feldplatten in der Auswerteschaltung nach Figur 3 betrieben werden, liefern die Feldplatten FP1, FP2 am Spannungsteilerabgriff A ein ununterbrochenes, periodisches Signal gemäß dem in Figur k bei A wiedergegebenen Linienzug. Das am Punkt B abgegriffene Ausgangssignal des in der Bezugsmarkenspur 16 angeordneten Feldplattenpaares FP3, FPk unterscheidet sich von dem gleichförmigen perio-"> dischen Signal A durch einen ausgeprägten Spannungseinbruch beim Vorbeilaufen der Bezugsmarke BM. Bei idealer Gleichheit der vier Feldplatten ergibt die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlußpunkten A und B gemäß Figur k ein sehr scharf ausgeprägtes Bezugsmarkensignal Us.

Während in der Anordnung nach Figur 2 der in Umfangsrichtung des Zahnrades 10 gemessene Abstand b der Polhöcker bis 2V durch den gegenseitigen Abstand c der Zähne 11 bzw. 17 bestimmt wird und optimal gleich der Hälfte des Zahnabstandes c gewählt wird, bestimmt sich der in axialer Richtung gemessene Abstand a der Polhöcker in Figur 2 nach anderen Gesichtspunkten. Er wird zweckmäßig so gewählt, daß selbst bei dem maximal möglichen Axialspiel des Zahnrades 10 das Feldplattenpaar FP3, FPU noch ausreichend weit in der Bezugsmarkenspur liegt und von dieser überdeckt wird, wobei das Feldplattenpaar FP1, FP2 noch ausreichend weit in der Inkrementspur 15 liegt. Bei nicht zu breitem Zahnrad kann der Abstand a zweckmäßig als

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halbe axiale Zahnbreite gewählt werden.

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Daß man auch mit nur drei Feldplatten bereits eine Abtastanordnung für die Inkrementspur und für die Bezugsmarkenspur schaffen.kann, zeigen die Figuren T und 8. Im Gegensatz zu der m^t' einer- Spannungsteileranordnung arbeitenden Auswerteschaltung nach Figur 3 ist in der Auswerteschaltung nach Figur 8 vorgesehen, daß jeder der drei Feldplatten ein Gleichstrom I eingeprägt wird, so daß an den Punkten A und B und C eine dem -jeweiligen Feldplatten-Widerstand proportio-.'.".Z.¹? ""r.-'.v.:.!·¹^ I . P.1 « I . E2 -j.r.5. I . P? abgegriffen Herder kann, wenn mit R1 bis R3 die von dem jeweixs herrschenden W Magnetfluß abhängigen Widerstände der Feldplatten bezeichnet werden. Die Differenzbildung der im Gegentakt verlaufenden Signale A und B liefert dann das reine Inkrementsignal, während die Differenz der Signale A und C nur an der-jeweiligen Bezugsmarke einen von Null verschiedenen Wert aufweist.

Figur 9 zeigt eine besonders' vorteilhafte Anordnung aus nur zwei handelsüblichen Feldplatten FP1 und FP2, deren Polhöckerabstand b jedoch möglichst exakt gleich dem halben Zahnabstand c gewählt werden·soll. Wenn diese beiden Feldplatten in der Bezugsmarkenspur 16 angeordnet sind, können sie gleichzeitig zur Inkrement-und Bezugsmarkenerkennung dienen, wie die Figuren 10 und 11 zeigen. Prägt man nämlich

auf jede der beiden Feldplatten je einen Strom I ein und greift man-an den Punkten A und B zwei Signalspannungen ab, so erhält man als deren Differenz *A - B ein der Drehzahl η entsprechendes Inkrementsignal, das das Bezugsmarken-Signal in Form einer doppelten Impulslänge infolge der Zeitdiskrimination enthält, während die Summe A + B ein reines Bezugsmarken-Signal liefert.

Wenn man die aus nur zwei Feldplatten bestehende Abtasteinrichtung gemäß Figur 5 um 90 gegenüber Figur 9 so dreht, daß die Feldplatte FP1 in der Inkrementspur 15, die Feldplatte FP2 in der Bezugsmarkenspur 16 liegt, so erzeugt die Bezugsmarke ein Bezugsmarkensignal als Differenz der Spannungen an den Punkten A und B. Hierdurch ist es ebenfalls möglich, eine einfache, nur einen Geber umfassende Anordnung zu schaffen, wobei das Inkrementsignal alleine über
die Feldplatte FP1 am Punkt A abgegriffen wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt insbesondere darin, daß sowohl die Inkrement- als auch die Bezugsmarken-Signale drehzahlunabhängig gewonnen werden können, und vor allem die Bezugsmarken-Erkennung - basierend auf, einer Amplituäendiskriminierung - keinerlei Anforderungen an den Gleichförmigkeitsgrad der Rotationsbewegung des Zahnrades 10 stellt. Diese Art der Bezugsmarken-Erkennung erfordert einen wesentlich geringen Softwareaufwand, der für die Signalverarbeitung vorgesehenen Mikro-(C)-Steuereinheit und bietet darüber hinaus bei Ausfall dieser
Steuereinheit Hotbetriebsmöglichkeiten.

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ROBERT BOSCH GMBH₅ TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

1 .1 Geber zur Erfassung der Drehzahl und eines durch eine Bezugsmarke festgelegten Drehwinkels einer Welle mit Hilfe eines mit der Welle umlaufenden zylindrischen Körpers, der an seinem Umfang mehrere in Drehrichtung hintereinander liegende, aus je einer magnetisch hoch wirksamen Zone und einer magnetisch schwach wirksamen Zone bestehende Inkremente aufweist, die untereinander kongruent ausgebildet sind, und mit einem diese Inkremente abtastenden, beim Vorbeilauf jeder der magnetisch hoch wirksamen Zonen einen Inkrementimpuls liefernden, magnetfeldabhängigen Sensor, insbesondere mit einer Feldplatte oder einem Hallgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarke (BM) durch ein sich an mindestens, zwei kongruente Inkremente (s) anschließendes nichtkongruentes Bezugsmarkensystem gebildet ist, das sich durch das Fehlen einer magnetisch hochwirksamen Zone auszeichnet, wobei d,ie Umfangsflache des zylindrischen Körpers in zwei axial nebeneinanderliegende Spuren (15₉ 16) unterteilt ist, denen jeweils einer von zwei magentfeidabhängigen Halbleitern gegenübersteht .

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2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Wellf'ümlaufende zylindrische Körper aus einer ' an ihrem Umfang mit radial abstehenden Zähnen versehenen Zahnscheibe (10) besteht, wobei die magnetisch hoch wirksamen Zonen von den Zähnen (11) und die magnetisch schwach -■--" ->?^r.5~ "c"-;r. vor. den Zahnlüchen (13} stet:.ldet v?rf.-—.
3. Geber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Feldplatten (FP1, FP2) vorgesehen sind, die auf der dem zylindrischen Körper zugekehrten Oberseite einer weichmagnetischen Trägerplatte (20) sitzen, an deren Rückseite ein Dauermagnet angeordnet ist.
k. Geber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (20) gegen den zylindrischen Körper vorspringende Hocker (21, 22.bzw. 23, 2k) aufweist, an deren freien Endabschnitten die Feldplatten (FP1 bis FP*O angeordnet s ind.
5. Geber nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckförmige Grundfläche der Trägerplatte (20) sich tangential zum Umfang (11) der Zahnscheibe (1O) erstreckt und mit einer ihrer Feldplatten ausschließlich in der Bezugsmarkenspur (16) liegt, mit ihrer zweiten Feldplatte (FF2) der Inkrementspur (15) gegenübersteht (Figur 5)·

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6. Geber nach Anspruch l·, dadurch gekennzeichnet, daß der in Umfangsrichtung der Zahnscheibe gemessene Mitten-Abstand (b) ihrer Polhöcker (21, 22) der Hälfte des Abstandes (c) an Zähne (11) entspricht.
7· Geber nach einem der Ansprüche h bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (20) drei Hocker (21, 22, 23) mit je einer von drei Feldplatten (FP1 bis FP3) aufweist, wobei zwei (FP1 und FP2) der Feldplatten in der Inkrementspur (15) liegen und einen Mittenabstand (b) haben, der wenigstens annähernd gleich der Hälfte des Abstandes (c) der Zähne (11) ist, und wobei die dritte Feldplatte (FP3) in der Bezugsmarkenspur (ΐβ) liegt.
8. Geber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (20) vier Hocker (21 bis 2k) mit je einer von vier Feldplatten (FP1 bis FPi+) hat, von denen jeweils zwei in der Inkrementspur (15), die anderen beiden in der Bezugsmarkenspur (16) liegen.

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