DE3902166A1

DE3902166A1 - Raddrehzahlfuehler

Info

Publication number: DE3902166A1
Application number: DE3902166A
Authority: DE
Inventors: Kalyan Pandurang Gokhale
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1989-08-03
Also published as: JPH01224669A; DE3902166C2; US4835467A

Description

Die Erfindung betrifft einen Raddrehzahlfühler zur Erfassung der Drehzahl eines sich drehenden Teiles und insbesondere einen solchen Fühler, der für Veränderungen der Sensorkompo nenten und für Radasymmetrien unempfindlich ist.

Es sind Raddrehzahlfühler bekannt, die mit einer Zahnscheibe und einem Magnetwiderstandsgerät arbeiten zur Überwachung des Durchlaufes der Zähne der Scheibe bei der Drehung des Rades. Bei dieser Art von Raddrehzahlfühlern ändert sich der Magnetwiderstand des Magnetkreises sinusförmig bei der Dre hung der Zahnscheibe. Diese Eigenschaft wird zur Entwicklung eines Spannungssignales benutzt, das die Form eines gleich strom-vorgespannten Sinussignales besitzt. Ein Signalaufbe reitungskreis spricht auf die mit Gleichspannung beaufschlag te Sinuswellenform an und erzeugt ein Rechteckimpuls-Aus gangssignal bei jedem erfaßten Zahn der sich drehenden Schei be, wodurch ein Impulszug mit einer Frequenz entsteht, die gleich der Zähnezahl der Zahnscheibe, mal der Drehzahl des Rades ist. Dieser Impulszug ergibt ein Drehzahlsignal, das zur Einleitung in Mikroprozessoren geeignet ist.

Bei der erwähnten Art eines Raddrehzahlfühlers könen typi sche Signalbereitungskreise eine genaue drehzahlbezogene Impulsform schaffen, falls Idealbedingungen vorherrschen. Diese typischen Signalaufbereitungskreise sind jedoch für Eigenschaften der Zahnscheibe, des Rades und für die Magnet widerstandseigenschaften des Erfassungskreises empfindlich und insbesondere reagieren sie auf Asymmetrie bei der sich drehenden Zahnscheibe. Diese Zahnscheibe kann ja bei der praktischen Ausführung bestimmte Fehler aufweisen. Es kann der Spalt zwischen dem Magnetwiderstandsfühler und der Zahn scheibe nicht konstant sein, sondern sich mit dem Umlauf der Zahnscheibe ändern. Das kann beispielsweise durch eine Exzen trizität oder ein Wobbeln des Rades infolge von Herstellungs toleranzen oder infolge von Radlagerverschleiß entstehen. Der typische Signal-Aufbereitungskreis kann dann nicht mehr fähig sein, eine genaue Drehzahlerfassung zu schaffen infolge der Änderungen des Ausgangssignales des magnetore sistiven Fühlers wegen dieses Wobbelns oder der Exzentrizi tät der Zahnscheibe.

Ein erfindungsgemäßer Raddrehzahlfühler zeichnet sich gegen über dem Stand der Technik aus durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Ein erfindungsgemäßer Raddrehzahlfühler mit einer Zahnschei be und einem magnetoresistiven Fühler, der das Durchlaufen der Zähne bei der Drehung des Rades überwacht, enthält einen Signalaufbereitungskreis, der für Änderungen in der Bezie hung zwischen der Scheibe und dem magnetoresistiven Fühler unempfindlich ist, zur Schaffung eines Impulszug-Ausgangssi gnales mit einer Frequenz, die ein Maß für die Drehzahl des Rades darstellt. Insbesondere spricht der Signalaufberei tungskreis nur auf Widerstandsänderungen an, die durch die Drehung der Zahnscheibe verursacht werden, und ist für Ände rungen der Signalgröße und des Widerstandes beim magnetore sistiven Fühler infolge von Einheits-Veränderungen, der Temperatur und der Exzentrizität der sich drehenden Zahn scheibe unempfindlich. Insbesondere sorgt der Signalaufberei tungskreis für eine Erfassung der Steigung des sich mit der Zeit ändernden Signals, das durch den magnetoresistiven Fühler geschaffen ist, um das Impulszug-Ausgangssignal zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Raddrehzahlfüh lers mit einem magnetoresistiven Sensor,

Fig. 2 ein idealisiertes Ausgangssignal eines magneto resistiven Sensors,

Fig. 3a ein Ausgangssignal eines magnetoresistiven Sensors bei Exzentrizität der Zahnscheibe aus Fig. 1,

Fig. 3b ein Impulszug-Ausgangssignal eines typischen bekann ten Signalaufbereitungskreises aus dem Eingangs signal nach Fig. 3a,

Fig. 4 einen bekannten Signalaufbereitungskreis, der ein Ausgangssignal nach Fig. 3b erzeugt,

Fig. 5 einen Signalaufbereitungskreis gemäß den Prinzipien dieser Erfindung, und

Fig. 6 das durch den Signalaufbereitungskreis nach Fig. 5 erzeugte Raddrehzahl-Impulsausgangssignal.

Nach Fig. 1 ist eine Scheibe aus magnetisierbarem Material mit Zähnen, die in gleichem Abstand an seinem Umfang vorhan den sind, durch ein (nicht dargestelltes) rotierendes Glied angetrieben, dessen Drehzahl zu erfassen ist. Ein magneto resistiver Sensor aus einem Magnetoresistor 12 und einem Permanentmagneten 14 ist vorgesehen, um die Annäherung der Zähne an der Scheibe 10 zu erfassen und dadurch die Drehzahl der Scheibe 10. Der Magnetoresistor 12 ist in der Nähe des Umfangs der Scheibe 10 angebracht, und der Permanentmagnet 14 so angesetzt, daß aus der Scheibe 10, des Magnetoresistor 12 und dem Permanentmagneten 14 ein Magnetkreis gebildet ist.

Im allgemeinen zeigt der Magnetoresistor 12 eine Änderung seines Widerstandswertes in Anwesenheit eines Magnetfeldes, wobei die Größe des Widerstandes von der Flußdichte des Magnetfeldes abhängt. Bei der Drehung der Scheibe 10 ändert sich der Luftspalt zwischen dem Magnetoresistor 12 und der Scheibe 10 beim Vorbeilaufen der Zähne mit dem Abstand der Zähne. Die Reluktanz des Magnetkreises ist eine Funktion des Luftspaltes zwischen dem Magnetoresistor und der Scheibe 10, so daß bei der Drehung der Scheibe 10 die Flußdichte des Magnetfeldes in der Umgebung des Magnetoresistors 12 zwi schen einem Maximalwert, wenn der Zahn direkt dem Magneto resistor 12 gegenüberliegt, und einem Minimalwert, wenn der Abstandsraum zwischen den Zähnen direkt dem Magnetoresistor 12 gegenüberliegt, moduliert wird. Dementsprechend wird, da der Widerstand des Magnetoresistors 12 eine Funktion der Flußdichte des Magnetfelds ist, sein Widerstand zwischen den Extremwerten mit einer Frequenz moduliert, die der Drehzahl der Scheibe 10 entspricht.

Ein Spannungssignal V _o, das ein Maß für den Widerstand des Magnetoresistors 12 ist, wird dadurch entwickelt, daß der Magnetoresistor 12 zwischen einem Masse-Referenzpotential und dem Ausgang einer Konstantstromquelle 16 angebracht wurde, die einen Konstantstrom I _o abgibt. Die Konstantstrom quelle 16 ist mit einer geregelten Spannungsquelle verbun den, die eine Spannung V _cc von z. B. 5 V schafft. Da durch den Magnetoresistor 12 der Konstantstrom I _o fließt, erfährt das Spannungssignal V _o zyklische Änderungen zwischen Extremwerten, die den Extrem-Widerstandswerten des Magneto resistors 12 bei der Drehung der Scheibe 10 entsprechen. Die Scheibe 10, der Magnetoresistor 12, der Permanentmagnet 14 und die Konstantstromquelle 16 bilden einen Generator zur Erzeugung eines Drehzahlsignals V _o, dessen Spannungswert auf die Drehzahl des sich drehenden Teiles bezogen ist.

Der Raddrehzahlfühler nach Fig. 1 enthält einen Signalauf bereitungskreis 18, der auf das Spannungssignal V _o anspricht und einen Impulszug schafft, der aus einer Reihe von Impulsen V _b gebildet wird, die jeweils einem Änderungszyklus der Spannung V _o entsprechen. Dieser Impulszug besitzt eine Frequenz, die direkt auf die Drehzahl der Scheibe 10 bezogen ist, und die dementsprechend ein Maß für die Drehzahl des sich drehenden Teiles ist.

In Fig. 2 ist eine Wellenform dargestellt, die das Spannungs signal V _o bei der Drehung der Scheibe 10 darstellt, wodurch der Widerstandswert des Magnetoresistors 12 zwischen Mini mal- und Maximalwerten moduliert wird. Das Spannungssignal V _o besitzt eine von der Spannung Null durch eine Vorspannung V _vor vorgespannte Form, wobei der Durchschnittswert V _vor gleich dem Durchschnittswert zwischen den Minimal- und Maximalwerten des Spannungssignals V _o entspricht.

Die Wellenform in Fig. 2 stellt eine idealisierte Wellenform dar. Typischerweise weicht die tatsächliche Wellenform V _o von der in Fig. 2 dargestellten ab, da z. B. ein Wobbeln im Antrieb der Scheibe 10 auftritt. Dieses Wobbeln ergibt eine zyklische überlagerte Änderung der Größe des Luftspaltes zwischen den Zähnen und dem Magnetoresistor 12 bei der Dre hung der Scheibe 10. Die sich so ergebende Wellenform ist in Fig. 3a dargestellt, und hier ändert sich der Wert von V _vor (der Durchschnittswert aus Minimal- und Maximalwerten von V _o) zyklisch mit dem Umlauf der Scheibe 10. Wie noch be schrieben wird, kann sich dadurch bei bekannten Raddreh zahlfühlern eine fehlerhafte Anzeige ergeben.

Fig. 4 zeigt einen typischen bekannten Signalaufbereitungs kreis. Dieser Signalaufbereitungskreis besteht aus einem Tießpaß-RC-Filter aus einem Widerstand 48 und einem Kondensa tor 20 und einem Komparatorschalter 22, dessen Ausgangssi gnal das Impulszugsignal V _b zur Messung der Drehzahl ist. Das Spannungssignal V _o am Magnetoresistor 12 wird an den positiven Eingang des Komparatorschalters 22 und an das Tief paßfilter angelegt. Das Tiefpaßfilter filtert die Änderung des Spannungssignals V _o und erzeugt einen Durchschnittswert, der gleich einer Referenzspannung V _ref ist, die am negativen Eingang des Komparatorschalters 22 anliegt. Bei der Wellenform nach Fig. 2 ist V _ref gleich der Durchschnitts spannung V _vor. Das sich ergebende Ausgangssignal des Komparatorschalters 22 besteht aus einer Reihe von Span nungsimpulsen V _b, von denen jeder "hoch" ist, wenn V _o größer als V _ref ist, und "tief", wenn V _o kleiner als V _ref ist.

Solange V _o im wesentlichen gleich der idealisierten Span nungswellenform nach Fig. 2 ist, stellt das Impulszug-Aus gangssignal des Komparatorschalters 22 genau die Drehzahl des sich drehenden Teiles dar. Es kann jedoch mit der Aufbe reitungsschaltung nach Fig. 4 folgende Beobachtung bei der Signalgabe gemacht werden: Das Tiefpaßfilter aus Widerstand 48 und Kondensator 20 sollte ideal sein, was bedeutet, daß seine Übergangsfrequenz so klein wie möglich sein sollte, so daß alle Änderungen von V _o bei sehr kleinen Drehzahlen des Rades ausgefiltert werden, so daß eine wahre Durchschnitts spannung V _ref auch dann erzeugt wird, wenn sich das Rad und damit die Scheibe 10 mit sehr geringer Drehzahl bewegt. Wie bereits erwähnt, tritt bei der praktischen Ausführung jedoch eine Abweichung der Wellenform V _o von der idealen Wellenform auf, wie in Fig. 3a gezeigt. Wie bereits erwähnt, ist dann die Größe V _vor nicht mehr konstant, sondern ändert sich selbst sinusförmig infolge des sich periodisch ändernden Luftspaltes zwischen der Scheibe 10 und dem Magnetoresistor 12. Die Periode dieser sinusförmigen Änderung von V _vor ist gleich der Zeit, die eine Umdrehung der Scheibe 10 in Anspruch nimmt. Falls diese Spannung dem bekannten Signal aufbereitungskreis nach Fig. 4 angelegt wird, wird das darin enthaltene Tiefpaßfilter mit einer sehr niedrigen Übergangsfrequenz zur Anpassung an geringe Drehzahlen der Scheibe 10 alle Änderungen insbesondere bei höheren Drehzah len ausfiltern und eine Durchschnittsspannung V _ref erzeugen, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist. Bei dem Vergleich von V _o mit V _ref erzeugt dann der Komparatorschalter 22 ein Ausgangs-Impulssignal, das an den Stellen P, Q, R und S keine Signalflanke erfaßt. Dadurch ergeben sich die in Fig. 3b dargestellten Spannungsimpulse V _b. Wie diese Figur zeigt, fehlen darin einige Impulse V _b des Impulszuges, so daß die Frequenz der Spannungsimpulse V _b kleiner als die tatsächliche Frequenz der zyklischen Änderungen der Spannung V _o ist. Dadurch wird ein Meßfehler der Drehzahl der Scheibe 10 und damit des zu messenden Rades herbeigeführt.

Erfindungsgemäß ist ein Signalaufbereitungskreis 18 ent sprechend Fig. 5 vorgesehen. Statt eines Vergleichs der Spannung V _o mit einer Referenzspannung V _ref nach dem Stand der Technik in Fig. 4 ergibt der Signalaufbereitungskreis nach Fig. 5 ein Ausgangssignal, das auf Grundlage der Steigungen des Spannungssignals V _o abgeleitet wird, und das deshalb von dessen absoluter Größe unabhängig ist. Damit ist der Signalaufbereitungskreis unabhängig von der Vorspannung V _vor und deshalb auch unempfindlich gegen Änderungen infolge von Exzentrizitäten der Scheibe 10.

Die Schaltung nach Fig. 5 enthält einen Funktionsverstärker 24 mit hohem Gewinn in der Größenordnung von 10⁵. Eine Reihenschaltung aus zwei antiparallelen Dioden 28 und 30 mit einem Kondensator 32 ist zwischen den Ausgang des Funktions verstärkers 24 und dem Masse-Referenzpunkt eingefügt. Die Dioden 28, 30 sind gegeneinander gepolt, d. h. die Anode der einen Diode ist mit der Kathode der anderen verbunden. Die Spannung über dem Kondensator 32 ist an den negativen Eingang des Funktionsverstärkers 24 angelegt zum Vergleich mit der Spannung V _o, die an den positiven Eingang des Funktionsverstärkers 24 gelegt ist.

Die Spannung über den antiparallelen Dioden 28 und 30 ist je weils an den positiven bzw. negativen Eingang eines Kompara torschalters 26 angelegt. Das Ausgangssignal des Komparator schalters 26 ergibt die Spannungsquelle V _b des Ausgangs signals des Signalaufbereitungskreises 18 nach Fig. 1.

Der Betrieb des Signalaufbereitungskreises nach Fig. 5 wird mit Bezug auf die Spannungs-Zeitdiagramme nach Fig. 6 be schrieben, wobei das obere Diagramm das am Magnetoresistor 12 entwickelte anliegende Spannungssignal V _o zeigt, und das untere Diagramm das Spannungsimpulssignal V _b am Ausgang des Signalaufbereitungskreises 18.

Der Funktionsverstärker 24 vergleicht die Spannung am Konden sator 32 mit der Spannung V _o und lädt oder entlädt den Kondensator 32 durch die antiparallelen Dioden 28 und 30, um die Kondensatorspannung gleich dem Wert V _o zu halten. Wenn die Kondensatorspannung kleiner als V _o ist, lädt der Funk tionsverstärker 24 den Kondensator 32 durch die vorwärts gepolte Diode 28 auf, und wenn die Kondensatorspannung größer als V _o ist, entlädt der Funktionsverstärker 24 den Kondensator 32 durch die nun vorwärts gepolte Diode 30. Deshalb wird während des Zeitabschnittes t ₁ bis t ₂, wenn die Spannung V _o auf ihren Spitzenwert ansteigt, der Funktions verstärker 24 den Kondensator 32 über die Diode 28 aufladen, um die Kondensatorspannung gleich seiner Eingangsspannung V _o zu halten. Während des Zeitabschnittes t ₂ bis t ₃, wenn die Spannung V _o auf ihren Minimalwert abfällt, entlädt der Funktionsverstärker 24 den Kondensator 32 durch die Diode 30, um auch hier die Kondensatorspannung gleich der Eingangsspannung V _o zu halten. Während des darauffolgenden Abschnittes t ₃ bis t ₄ herrschen wieder die gleichen Bedingungen wie bei dem Zeitabschnitt t ₁ bis t ₂, und der Funktionsverstärker bildet so ein Ladungs-Steuermittel.

Während der Kondensator 32 geladen oder entladen wird, ist die Eingangsspannung am Komparatorschalter 26 gleich dem Wert des Spannungsabfalls an der jeweils vorwärts gepolten (durchlassenden) Diode (typischerweise ca. 0,6 V). Die Ein gangsspannung am Komparatorschalter 26 besitzt jedoch, wenn die Diode 28 während der Ladezeit des Kondensators 32 lei tet, die entgegengesetzte Polarität gegenüber der Zeit, wenn der Kondensator 32 durch die dann leitende Diode 30 entladen wird. Die Spannung am positiven Eingang des Komparatorschal ters 26 ist insbesondere größer als die Spannung an seinem negativen Eingang, wenn die Diode 28 während des Ladens des Kondensators 32 leitet, und die Spannung an dem negativen Eingang ist größer als die Spannung an dem positiven Ein gang, wenn die Diode 30 beim Entladen des Kondensators 32 leitet. Die sich dadurch ergebenden Spannungsimpulse V _b am Ausgang des Komparatorschalters 26 sind bezüglich der Spannung V _o in Fig. 6 dargestellt. Diese Impulse bilden das Impulszug-Ausgangssignal des Signalaufbereitungskreises 18 nach Fig. 1.

Dementsprechend ergibt die Signalaufbereitungsschaltung nach Fig. 5 bei einer zwischen den Minimal- und Maximalwerten ver laufenden Spannung V _o bei Drehung der Scheibe 10 ein Impuls zug-Ausgangssignal, das aus einzelnen Impulsen V _b für jede Änderungsperiode der Wellenform V _o besteht. Das Logikpegel- Ausgangssignal des Signalaufbereitungskreises nach Fig. 5 beruht demnach auf der Steigung des Signals V _o und nicht auf der Vorspannung V _vor. Demzufolge ist der Signalauf bereitungskreis gegenüber Änderungen der Vorspannung V _vor unempfindlich, so daß auch bei einer Wellenform, wie sie in Fig. 3a abgebildet ist, ein Impulszug erzeugt wird, der genau die Drehzahl der Scheibe 10 abbildet.

Außerdem hat es sich erwiesen, daß neben der Unempfindlich keit für Änderungen des Verlaufes der Vorspannung V _vor der Signalaufbereitungskreis aus Fig. 5 auch bei sehr geringen Amplitudenänderungen des Signales V _o wirkt. Man kann den Signalaufbereitungskreis nach Fig. 5 auch bei sehr großem Luftspalt zwischen Magnetoresistor 12 und den Zähnen an der Scheibe 10 sehr wirksam gestalten. Bei einer praktischen Ausführung hat sich der Aufbereitungskreis auch als wirksam erwiesen, wenn die gesamte Änderung von V _o bei der Drehung der Scheibe 10 nur 40 mV betrug.

Claims

1. Drehzahlfühler zur Erfassung der Drehzahl eines sich drehenden Teiles, mit Generatormitteln (10, 12, 14, 16) zur Erzeugung eines Drehzahl-Signales (V _o) mit einem Spannungswert, der sich zwischen Maximal- und Minimalwer ten mit einer auf die Drehzahl des sich drehenden Teiles bezogenen Frequenz ändert, einem Komparatorschalter (26) und einem Kondensator (32), dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite antiparallel verbundene Dioden (28, 30) vorgesehen sind, daß ein Ladungs-Steuermittel (24) vorge sehen ist, welches die Kondensatorspannung und das Dreh zahlsignal (V _o) miteinander vergleicht und

A. den Kondensator (32) durch die antiparallel verbunde nen Dioden (28, 30) auflädt, wenn das Drehzahlsignal größer als die Kondensatorspannung ist, und
B. den Kondensator (32) durch die antiparallel verbunde nen Dioden (28, 30) entlädt, wenn das Drehzahlsignal geringer als die Kondensatorspannung ist,

wobei die antiparallel verbundenen Dioden (28, 30) Dioden durchlaß-Spannungsabfall zeigen, während der Kondensator (32) geladen bzw. entladen wird, wobei der Diodendurchlaß-Spannungsabfall eine erste Polarität besitzt, wenn der Kondensator (32) geladen wird und eine zweite Polarität, wenn der Kondensator (32) entladen wird, und daß der Komparatorschalter (26) auf den Diodendurchlaß-Spannungsabfall anspricht mit Erzeugung eines Impulszug-Signales (V _b) mit ersten bzw. zweiten Zuständen, die jeweils den ersten bzw. zweiten Polaritäten des Diodendurchlaß-Spannungsabfalles entsprechen, und das Impulszug-Signal (V _b) eine Frequenz besitzt, die ein Maß der Drehzahl des sich drehenden Teiles ist.

2. Raddrehzahlfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Kondensator (32) in Reihe mit den antiparal lel verbundenen Dioden (28, 30) geschaltet ist und das das Ladungssteuermittel enthält

A. einen Verstärker (24) mit positiven und negativen Eingängen und einem Ausgang,
B. Mittel zum Anlegen des Drehzahlsignales (V _o) an den positiven Eingang des Verstärkers (24),
C. Mittel zum Anlegen der Kondensatorspannung an den negativen Eingang des Verstärkers (24), und
D. Mittel zum Anlegen des Verstärker-Ausgangssignales über die Reihenschaltung aus Kondensator (32) und antiparallel verbundenen Dioden (28, 30).

3. Raddrehzahlfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Generatormittel zur Erzeugung eines Drehzahlsignales (V _o) enthält:

A. eine durch das sich drehende Teil mitgedrehte Scheibe (10), welche an ihrem Umfang mit Abstand voneinander angebrachte Zähne besitzt,
B. einen magnetoresistiven Sensor (12, 14), der dem Um fang der Scheibe benachbart sitzt zur Erfassung der Annäherung der Zähne bei der Drehung der Scheibe (10), wobei der magnetoresistive Sensor (12, 14) einen sich zwischen Maximal- und Minimalwerten ändern den Widerstand aufweist in Abhängigkeit von der Dre hung der Zahnscheibe (10), und
C. Mittel (16) zum Zuführen eines Konstantstromes (I _o) zu dem magnetoresistiven Sensor (12, 14), so daß die Spannung über dem magnetoresistiven Sensor (12, 14) das Drehzahlsignal (V _o) bildet.