DE102012224098A1

DE102012224098A1 - Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeit in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012224098A1
Application number: DE102012224098.5A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Acker
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Also published as: EP2934965A1; WO2014095311A1; CN104870275A; KR20150097564A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeit (12) zwischen einem als Induktivität (18, 20) ausgebildeten Messaufnehmer und einem die Induktivtät (18, 20) verändernden Geberelement (16) in einem Fahrzeug (2), umfassend: – Erfassen einer Änderung der Induktivität (18, 20); – Bestimmen der Geschwindigkeit (12) basierend auf der geänderten Induktivität (18, 20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeit in einem Fahrzeug, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, einen Geschwindigkeitssensor mit der Steuervorrichtung und ein Fahrzeug mit dem Geschwindigkeitssensor.
Aus der DE 25 20 780 A1 ist ein induktiver Geschwindigkeitssensor in Form eines Raddrehzahlsensors bekannt, in dem sich vor einer als Messaufnehmer ausgebildeten Spule mit ganz oder teilweise permanent-magnetischem Kern als Joch ein als Geberelement ausgebildeter ferromagnetischer Encoder dreht. Die Anordnung wirkt als Generator. In der Spule wird eine Generatorspannung induziert, deren Frequenz und Amplitude proportional zur Drehzahl sind.
Demgegenüber ist aus der DE 101 46 949 A1 ein aktiver Geschwindigkeitssensor in Form eines Raddrehzahlsensors bekannt, in dem sich vor einem magnetoresistiven Element als Messaufnehmer ein ferro- oder dauermagnetischer Encoder als Geberelement dreht. Der Messaufnehmer ist als Brücke in einer Brückenschaltung verschaltet, wobei die am Messaufnehmer abfallende Brückenspannung durch den sich drehenden Encoder moduliert und von einer Auswerteschaltung ausgewertet wird. Derartige magnetoresistive Elemente können Hall-Elemente, AMR-Elemente, XMR-Elemente oder GMR-Elemente sein.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannte Geschwindigkeitsmessung zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeit zwischen einem als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmer und einem die Induktivtät verändernden Geberelement in einem Fahrzeug, die Schritte:

– Erfassen einer Änderung der Induktivität;
– Bestimmen der Geschwindigkeit basierend auf der geänderten Induktivität.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass den magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren mit den magnetoresistiven Messaufnehmern gemeinsam ist, dass die Amplitude des Signals der Messaufnehmer nicht von der Drehzahl abhängt. Daher können die magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren eine Geschwindigkeit vom Stillstand bis zu einer maximalen Geschwindigkeit erfassen, die aufgrund von Entwurfsentscheidungen durch die Signalverarbeitung bestimmt wird. Diese Entwurfsentscheidungen können beispielsweise von einer notwendigen Tiefpassfilterung der Brückenspannung zur Störungsunterdrückung.
Bei den induktiven Geschwindigkeitssensoren hingegen sind die Generatorspannung und deren Frequenz proportional zur erfassten Geschwindigkeit.
Dies bedingt einerseits, dass kann im Stillstand keine Generatorspannung gemessen werden kann. In der Praxis ergibt sich bei den induktiven Geschwindigkeitssensoren daher eine minimale Geschwindigkeit, bei der die induzierte Spannung noch gerade hoch genug ist, um einer Auswertung zugänglich zu sein, die hinsichtlich Zuverlässigkeit und Genauigkeit der zu erfassenden Geschwindigkeit den Anforderungen genügt. In der Fahrzeugtechnik ist die Existenz einer solchen Untergrenze für die zu erfassende Geschwindigkeit ist sehr störend, weil beispielsweise moderne Regelsysteme in einem Fahrzeug, wie Fahrerassistenzsysteme, für ihre Sicherheits-, Energiespar- und Komfortfunktionen die Signale der als Raddrehzahlsensoren ausgebildeten Geschwindigkeitssensoren benötigen. Viele der zuvor genannten Funktionen werden bei jeder zu erfassenden Geschwindigkeit benötigt, andere sind besonders bei sehr niedrigen zu erfassenden Geschwindigkeiten bis hin zum Stillstand von Bedeutung. Beispiele sind die Berganfahrhilfe (HSA, „Hill Start Assist“) und Antriebsschlupfregelung (ASR).
Die proportional zur zu erfassenden Geschwindigkeit verlaufende Generatorspannung in induktiven Geschwindigkeitssensoren birgt jedoch auch den Nachteil, dass bei hohen Geschwindigkeiten die entsprechend hohe Generatorspannung stört. Die Halbleiterschaltungen, die zur Signalverarbeitung in induktiven Geschwindigkeitssensoren verwendet werden, werden für immer geringere zu verarbeitende Spannungen ausgelegt, so dass die Eingänge dieser Halbleiterschaltungen mit zusätzlichen Bauteilen gegen die zu hohen Generatorspannungen geschützt werden müssen.
Die induktiven Geschwindigkeitssensoren haben jedoch auch Vorteile. Zum einen sind die Herstellungskosten im Vergleich zu aus Halbleitern hergestellten magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren geringer. Zum anderen sind sie besonders robust. Das gilt für die mechanische Beanspruchung, für externe elektromagnetische Felder und für den zulässigen Temperaturbereich.
Als Halbleiter für die magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren kommt im Automobilbereich derzeit aus Kostengründen ausschließlich Silizium in Frage, wodurch die Arbeitstemperatur der magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren nach oben begrenzt wird, je nach Technologie auf 150°C bis 200°C. Im Automobil gibt es jedoch an einigen Einsatzorten für Geschwindigkeitssensoren höhere Spitzentemperaturen, die bislang nur durch induktive Geschwindigkeitssensoren abgedeckt werden können. Hierzu ist noch anzumerken, dass ein hypothetischer AMR-Sensor, der nur die eingangs genannte Brücke, also den magnetorestiven Messaufnehmer enthält, wobei alle weiteren Elemente zur Signalverarbeitung wie die Brückenschaltung ausgelagert sind, auch ohne Halbleiter und somit ohne die eigenleitungsbedingte Temperaturobergrenze von Halbleiterschaltungen auskommt. Allerdings liegt der Innenwiderstand eines magnetorestiven Messaufnehmers, beispielsweise einer AMR-Brücke, im kΩ-Bereich und die Ausgangsspannung maximal bei einigen zehn Millivolt, so dass keine Aussicht besteht, das Sensorsignal aus dem magnetorestiven Messaufnehmers ohne Verstärker über eine Leitung von mehreren Metern Länge, an vielen elektromagnetischen Störern vorbei, zuverlässig zur ausgelagerten Signalverarbeitungsschaltung zu übertragen.
Weiterhin gibt es einen Nachteil der halbleiterbasierten, magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren, der nicht prinzipbedingt ist, sondern durch die Art der Industrialisierung der Lösung verursacht wird. Da die Signalverarbeitungsschaltungen, die in Form von ASICs ausgebildet sein können, sehr billig sein müssen, was nur durch Massenproduktion möglich ist, kann keine Anpassung an die jeweilige Applikation in einem Fahrzeug vorgenommen werden. Alle Geschwindigkeitssensoren eines Typs arbeiten mit der gleichen Obergrenze der Frequenz, ab der das Messsignal aus dem Messaufnehmer durch die Tiefpassfilterung abgeschwächt wird. Für Nischenmärkte, wie z.B. Hochleistungs-Sportwagen, liegt die Grenze, die durch den Massenmarkt gesetzt wird, teilweise zu niedrig, so dass gerade diese Fahrzeuge mit induktiven Geschwindigkeitssensoren ausgestattet werden müssen.
Hier setzt das angegebene Verfahren an, im Rahmen dessen eine Induktivität als Messaufnehmer in einem Geschwindigkeitssensor verwendet wird. Anders als in einem induktiven Geschwindigkeitssensor wird die als Messaufnehmer verwendete Induktivität jedoch nicht als Generator betrieben. Vielmehr wird die als Messaufnehmer verwendete Induktivität wie in einem magnetoresistiven Geschwindigkeitssensor hinsichtlich ihrer sich verändernden elektrischen Impedanz betrachtet, so dass das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile der induktiven Geschwindigkeitssensoren und der magnetoresistiven Geschwindigkeitssensoren ineinander vereint. Im Rahmen des angegebenen Verfahrens kann die Induktivität anders als ein magnetoresistiver Messaufnehmer über einer Leitungslänge von mehreren Metern angesteuert und ausgelesen werden, weil der Innenwiderstand einer Induktivität anders als ein magnetoresistiver Messaufnehmer nicht im Bereich einiger kΩ sondern deutlich darunter liegt. Die Änderung der Induktivität kann dabei wie in den herkömmlichen Geschwindigkeitssensoren über einen Encoder herbeigeführt werden, der beispielsweise ferromagnetisch ausgebildet sein kann.
In einer Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte:

– Anlegen einer Quellenspannung an die Induktivität, und
– Erfassen einer Änderung einer basierend auf der Quellspannung an der Induktivität abfallenden Messspannung, um die Änderung der Induktivität zu erfassen.

Der Weiterbildung des angegebenen Verfahrens liegt die Überlegung zugrunde, dass der an der Induktivität mit der zu messenden Geschwindigkeit vorbeiziehende Encoder die Quellspannung in Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit moduliert. Auf diese Weise lässt sich eine veränderliche Messspannung als Messsignal erfassen, aus der die zu messende Geschwindigkeit hervorgeht.
Zweckmäßigerweise wird als Quellspannung dabei eine Wechselspannung gewählt. Auf diese Weise wird die an der Induktivität abfallende Messspannung durch die Bewegung des Encoders amplitudenmoduliert, wobei die Modulation unabhängig von der Modulationsfrequenz der Quellspannung. Die Geschwindigkeit des Encoders hat damit keinen Einfluss auf die Amplitude des Messergebnisses, so dass das angegebene Verfahren geschwindigkeitsunabhängig zur Messung der Geschwindigkeit eingesetzt werden und die zu erfassende Geschwindigkeit vom Stillstand des Encoders bis zu einer durch die Auslegung einer bestimmten Maximalgeschwindigkeit gemessen werden kann.
In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens weist die Wechselspannung eine Frequenz zwischen 30 KHz und 500 kHz auf. Grundsätzlich kann zwar jeder beliebige Frequenzbereich für die Wechselspannung verwendet werden, bei niedrigeren Frequenzen wird die nutzbare Frequenz der an der Induktivität abfallenden Messspannung aber eingeschränkt, weil die zu messende Geschwindigkeit, beispielsweise in Form einer Raddrehzahl nicht unter die Modulationsfrequenz fallen sollte. Höhere Frequenzen weisen hinsichtlich der Funktion des das angegebene Verfahren ausführenden Geschwindigkeitssensors bei korrekter Auslegung keine Nachteile auf, sind aber unnötig und können, insbesondere wenn der Messaufnehmer durch ein langes Kabel angesteuert wird, zu unerwünschten elektromagnetischen Emissionen führen. An die Stabilität der Wechselspannung sind keine hohen Anforderungen zu stellen, weil als Folge der Demodulation in der Signalverarbeitung die Modulationsfrequenz der Wechselspannung keinen direkten Einfluss auf die zu messende Geschwindigkeit hat. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, dass ein spezifiziertes Frequenzintervall, für das der das angegebene Verfahren ausführende Geschwindigkeitssensor ausgelegt ist, nicht verlassen wird.
In einer besonderen Ausführung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Demodulieren der an der Induktivität abfallenden Spannung. Die Demodulation kann dabei beliebig erfolgen. Es ist lediglich notwendig, den Signalträger, also die Quellenspannung von der eigentlich interessanten Information, also der Geschwindigkeit des Encoders und der damit verbundenen Induktivitätsänderung des als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmers zu trennen.
Besonders bevorzugt umfasst die Demodulation dazu eine Amplitudendemodulation, da der sich in seiner Induktivität ändernde Messaufnehmer eine Information erfasst, die durch die als Wechselspannung ausgebildete Quellspannung amplitudenmoduliert wird. Zur Signalverarbeitung können beliebige bekannte Verfahren zur AM-Demodulation Verwendung finden, sowohl analog als auch digital. Dabei kommen auch Schaltungen in Frage, die nicht in der Lage wären, beliebige Signale mit geringen Verzerrungen zu demodulieren, denn die für das angegebene Verfahren interessante Information als Resultat der Demodulation umfasst grundsätzlich, den Zeitpunkt des Wechsels zwischen nur zwei diskreten Zuständen des sich in seiner Induktivität ändernden Messaufnehmers.
In einer besonders günstigen Weiterbildung wird die an der Induktivität abfallende Spannung mit einem Tiefpass zur Demodulation gefiltert. Die Tiefpassfilterung ist im Rahmen des angegebenen Verfahrens besonders zweckmäßig, denn eine obere Grenzfrequenz Tiefpassfilterung kann im Rahmen des angegebenen Verfahrens auf einen Wert zu gesetzt, der die Unterstützung aller Anwendungen im Automobil ermöglicht, ohne dass eine Anpassung an Fahrzeugtypen oder die Messstelle notwendig ist. Dies auch deshalb möglich, weil der als Induktivität ausgebildete Messaufnehmer eine sehr geringe Eigenimpedanz aufweist, die damit robust gegenüber Störungen ist, weshalb der Tiefpass nicht oder zumindest in einem geringeren Umfang zur Unterdrückung dieser Störungen herangezogen werden muss, sondern vielmehr zur zuvor genannten Demodulation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen. Die angegebene Steuervorrichtung kann als ein Adapter für ein bereits in einem Fahrzeug existierendes Steuergerät ausgeführt werden. Dabei kann die angegebene Steuervorrichtung messaufnehmerseitige und steuergeräteseitige Anschlüsse aufweisen, um die Informationen über die zu erfassende Geschwindigkeit in die zu erfassende Geschwindigkeit umzuwandeln, so dass sie vom Steuergerät in der herkömmlichen Weise verstanden werden kann. Bei einem neu zu konstruierenden Steuergerät ist es natürlich vorzuziehen, die Steuervorrichtung in das Steuergerät zu integrieren.
In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Geschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Geschwindigkeit in einem Fahrzeug

– einen als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmer, dessen Induktivität von einem Geberelement veränderbar ist, und
– eine der angegebenen Steuervorrichtungen zum Erfassen der Geschwindigkeit zwischen dem Messaufnehmer und dem Geberelement.

In einer Weiterbildung des angegebenen Geschwindigkeitssensors umfasst die Induktivität eine Spule und ein durch die Spule geführtes Joch, das zum Formen eines magnetischen Kreises über das Geberelement eingerichtet ist. Auf diese Weise können die bei der Messung der Geschwindigkeit auftretenden magnetischen Felder konzentriert werden, wodurch die Messung der Geschwindigkeit empfindlicher ausgeführt werden kann.
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Geschwindigkeitssensors ist das Joch weichmagnetisch ausgebildet. Der vorliegenden Ausführung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Betrieb eines herkömmlichen induktiven Geschwindigkeitssensors nach Art eines Generators ein starkes Feld erfordert, damit auch bei geringen Geschwindigkeiten eine hinreichende Signalamplitude erreicht werden kann und damit die oben eingangs erwähnte minimale erfassbare Geschwindigkeit nicht zu hoch wird. Dazu wäre ein starker Magnet erforderlich, der als Permanentmagnet ausgeführt jedoch relativ teuer ist. Stattdessen wird im angegebenen Geschwindigkeitssensor jedoch nur ein Joch benötigt, welches aus nahezu allen weichmagnetischen Werkstoffen gefertigt werden kann, u.a. aus Ferrit oder sogar aus Stahl, der sehr wahrscheinlich kostengünstigsten Möglichkeit. Die maximale Arbeitstemperatur kann dabei bei 250 °C und sogar darüber liegen, weil der angegebene Geschwindigkeitssensor nicht nur vollständig ohne Halbleiter aufgebaut werden kann, er kann auch nicht durch Entmagnetisierung beeinträchtigt werden, da kein Permanentmagnet vorhanden ist. Entmagnetisierung ist dabei bekanntermaßen ein Problem, das Permanentmagnete sowohl bei hohen Temperaturen als auch bei starken externen Magnetfeldern schädigen kann.
Im angegebenen Geschwindigkeitssensor kann eine einfache Umstellung von herkömmlichen Messaufnehmern auf die Lösung im Rahmen des angegebenen Verfahrens und des angegebenen Geschwindigkeitssensors dadurch erreicht, dass der neue als Induktivität ausgebildete Messaufnehmer hinsichtlich seiner äußeren Gestalt und den Anforderungen an den Encoder dem herkömmlichen Messaufnehmer angeglichen werden kann. Im Geschwindigkeitssensor können optional noch ein bis zwei Änderungen zur Anpassung an die neue Funktion vorgenommen werden, die sich auf den Ersatz des zuvor genannten Permanentmagneten durch ein weichmagnetisches Bauteil und zusätzlich auf die Wicklung beziehen. Die zweite optionale Änderung bezieht sich auf die Wicklung und trägt zur weiteren Kostenreduzierung bei. Die Impedanzmessung beim erfindungsgemäßen Sensor lässt sich, insbesondere aufgrund der freien Auswahl der oben beschriebenen Modulationsfrequenz, mit einer deutlich kleineren Wicklung mit weniger Windungen erreichen als beim herkömmlichen induktiven Geschwindigkeitssensor.
In einer anderen Weiterbildung ist der angegebene Geschwindigkeitssensor eingerichtet, als Geschwindigkeit eine Drehzahl zu erfassen. Diese Drehzahlen können beispielsweise Drehzahlen der Räder von Fahrzeugen, Drehzahlen der Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren oder Drehzahlen in Antriebsstrangkomponenten von Fahrzeugen, wie beispielsweise getrieben umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen der angegebenen Geschwindigkeitssensoren, einen Aktor und ein Steuergerät zum Ansteuern des Aktors basierend auf der mit dem Geschwindigkeitssensor erfassten Geschwindigkeit. Die Verkabelung des angegebenen Fahrzeugs sowie die Konstruktion eines Steuergerätes sowie des als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmers in dem Fahrzeug müssen gegenüber dem Stand der Technik nicht geändert werden. Es reicht, wenn die Steuervorrichtung des Raddrehzahlsensors beispielsweise als Adapter ausgeführt ist, der einerseits mit dem herkömmlichen Steuergerät des Fahrzeuges und andererseits mit dem als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmer verbunden wird. Der Adapter kann dabei an seinem Ausgang die elektrische Schnittstelle der herkömmlichen Geschwindigkeitssensoren mit hinreichender Genauigkeit imitieren.
Aufgrund der geringen Impedanz, die der Induktivität ausgebildete Messaufnehmer beispielsweise im oben genannten Frequenzbereich aufweist, ist bereits das unverstärkte Signal des Sensorelements gegen Störungen unempfindlich. Daher kann sich die gesamte Steuervorrichtung des angegebenen Geschwindigkeitssensors am Ort des auswertenden Steuergeräts befinden. Dort ist die Steuervorrichtung vor hohen Temperaturen und anderen rohen Umgebungsbedingungen, wie sie an der Messstelle herrschen können, geschützt. Es sind auch andere Einbauorte möglich, aber die Positionierung der Steuervorrichtung am oder im Steuergerät ist besonders vorteilhaft.
Dabei kann die eine die oben genannte Quellspannung (also die Spannung, die der oben beschriebenen Modulation zugrunde liegt) abgebende Signalquelle vorteilhaft in einem gemeinsamen Modul mit der Steuervorrichtung untergebracht sein, das heißt ebenfalls am oder im Steuergerät des Fahrzeuges. Anderenfalls würden sich die Signalquelle und die die Signalverarbeitung durchführende Steuervorrichtung bei einem typischen Fahrzeug mehrere Meter voneinander getrennt befinden, was aber aufgrund der oben beschriebene Robustheit gegenüber Störungen, die durch die geringe Impedanz des als Induktivität ausgebildeten Messaufnehmers nicht weiter problematisch wäre.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug,
2 eine Prinzipdarstellung eines Raddrehzahlsensors in dem Fahrzeug,
3 eine Darstellung einer Verschaltung der Fahrdynamikregelung aus 1 mit einem Raddrehzahlsensor aus 2,
4 einen Schaltplan eines möglichen Raddrehzahlsensors,
5 einen Schaltplan eines weiteren möglichen Raddrehzahlsensors,
6 einen Schaltplan eines weiteren möglichen Raddrehzahlsensors,
7 einen Schaltplan eines weiteren möglichen Raddrehzahlsensors zeigen.
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
Es wird auf 1 Bezug genommen, eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 2 zeigt.
Das Fahrzeug 2 weist ein Chassis 4 auf, das in einer an sich bekannten Weise auf einer nicht näher gezeigten Straße von Rädern 6 getragen wird.
An jedem Rad 6 ist in der vorliegenden Ausführung ein Raddrehzahlsensor 10 angeordnet, der eine in 2 gezeigte Raddrehzahl 12 am Ort des jeweiligen Rades 6 misst und diese an eine Fahrdynamikregelung 14 ausgibt. Alternativ kann der Raddrehzahlsensor 10 als Reifendrucksensor ausgebildet sein, der statt der Raddrehzahl 12 einen Reifendruck an ein Reifendruckkontrollsystem statt der Fahrdynamikregelung 14 ausgibt.
Die Fahrdynamikregelung 14 empfängt die Raddrehzahlen 12 aus den Raddrehzahlsensoren 10 neben anderen an sich bekannten Fahrdynamikdaten als Istwerte. In einer dem Fachmann bekannten Weise kann die Fahrdynamikregelung 14 die empfangene Fahrdynamik einer gewünschten Fahrdynamik, wie beispielsweise einer Solltrajektorie, gegenüberstellen. Tritt eine Differenz zwischen der gewünschten Fahrdynamik und der empfangenen Fahrdynamik auf, kann die Steuervorrichtung 14 das Fahrzeug 2 mittels Stelleingriffen über Stellglieder wie beispielsweise nicht weiter gezeigte Bremsen auf die gewünschte Fahrdynamik zurückführen.
Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine Prinzipdarstellung eines Raddrehzahlsensors 10 in dem Fahrzeug 2 zeigt.
Damit der Raddrehzahlsensor 10 die Raddrehzahlen seines entsprechenden Rades 6 erfassen kann, ist an dem Rad 6 in der vorliegenden Ausführung ein an sich bekannter Encoder 16 aus einem ferromagnetischen Material angeordnet.
Der Raddrehzahlsensor 10 umfasst eine Spule 18 mit einer Induktivität, wobei durch ein Zentrum der Spule 18 ein weichmagnetischer Kern 20 geführt ist. An die Spule 18 ist eine Spannungsquelle 22 angeschlossen, die an die Spule 18 eine Quellspannung 24 in Form einer harmonischen Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude anlegt.
Wird das Rad 6 gedreht, dann verändert der Encoder 16 die Induktivität der Spule 18 in einer periodischen Weise. Mit der Veränderung der Induktivität der Spule 18 wird auch die an die Spule 18 angelegte Quellspannung 24 in einer an sich bekannten Weise in Ihrer Amplitude verändert, und damit amplitudenmoduliert.
Die amplitudenmodulierte Quellspannung 24 kann dann als Messspannung 26 von einer Messeinrichtung 28 erfasst werden, die aus der amplitudenmodulierten Quellspannung 24 eine Zwischenspannung 30 ableitet, das von der zu erfassenden Raddrehzahl 12 abhängig ist. Dazu ist die Messeinrichtung 28 vorzugsweise als Demodulationseinrichtung ausgebildet, die unter einer optionalen Kenntnis der Modulationsfrequenz 32 der Quellspannung 24 die Zwischenspannung 30 in einer an sich bekannten Weise konstruieren kann.
Die Zwischenspannung 30 kann dann abschließend noch in einer Auswerteeinrichtung 34 aufbereitet werden, dass die Raddrehzahlen 12 in einer genormten Form an die Fahrdynamikregelung 14 angeschlossen werden kann. Ist die Spule 18 als Messaufnehmer bereit in dem Fahrzeug 2 vorhanden, beispielsweise weil das Fahrzeug vorher mit einem induktiven Raddrehzahlsensor betrieben wurde, dann können die Messeinrichtung 28 und die Auswerteeinrichtung 34 als Adapter 36 zwischen die Spule 18 und die Fahrdynamikregelung 14, wie in 3 gezeigt zwischengeschaltet werden.
Dabei können an die in 3 nicht belegten Anschlüsse 40 die anderen der in 1 gezeigten Raddrehzahlsensoren 10 angeschlossen werden.
Im Gegensatz zu 1 werden jedoch nicht die Raddrehzahlen 12 selbst sondern die in 2 gezeigten Messspannungen 26 übertragen.
Nachstehend werden anhand der 4 bis 7 Schaltpläne möglicher Raddrehzahlsensoren 10 erläutert.
4 zeigt eine Schaltung, deren Signalverarbeitung mit der als AM-Demodulator ausgebildeten Messschaltung 28 aus einer Gleichrichtdiode 42, einem Glättungskondensator 44 und einem Widerstand 46 beginnt. In 4 wurde der Übersichtlichkeit halber auf eine Darstellung der Spannungsquelle 22 verzichtet. Die Messspannung 26 am Eingang der Messschaltung 28 wird durch die Gleichrichtdiode 42 gleichgerichtet und durch den Glättungskondensator 44 geglättet.
Die gleichgerichtete und geglättete Messspannung 26 entspricht der Zwischenspannung 30, die ein Komparator 48 ein einem seiner Eingänge erhält, während am anderen Eingang eine applikationsabhängig einstellbare Referenzspannung 50 liegt. Der Komparator 48 vergleicht die Zwischenspannung 30 mit der Referenzspannung 50 und gibt ein Ausgangssignal 52 aus, das einen impulsartigen Verlauf aufweisen sollte, der in einer an sich bekannten Weise direkt die Raddrehzahl 12 des entsprechenden Rades wiedergibt. Da die Zwischenspannung 30 jedoch eine Restwelligkeit aufweist, können falsche Impulse und somit falsche Raddrehzahlen 12 generiert werden, so dass das Ausgangssignal 52 des Komparators 48 nicht direkt als Raddrehzahlsignal 12 verwendet werden kann.
Daher wird die Ausgangssignal 52 an ein D-Flip-Flop 54 weitergegeben, an das ein Taktsignal 56 angelegt ist, das mit der Modulationsfrequenz 32 synchronisiert ist. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal 52 am Ausgang des Komparators 48 immer nur zu bestimmten Phasen der Messspannung 26 ausgewertet und über das D-Flip-Flop 54 als Raddrehzahlsignal 12 weitergegeben. Auf diese Weise wird die Restwelligkeit wirksam unterdrückt.
Die Schaltung in 5 verwendet zur Demodulation in der Messschaltung 28 ein Abtast-Halte-Glied aus einem Abtastschalter 58 und dem Glättungskondensator 44 zur Demodulation. Dabei wird die Messspannung 26 zur Erzeugung der Zwischenspannung 30 wird über einen Abgriffswiderstand 60 abgegriffen, wobei ein zur Abtastung verwendetes Abtastsignal 62 mit der Modulationsfrequenz 32 synchronisiert ist, so dass Spannungswerte, zwischen den einzelnen Perioden der letztendlich als Trägerspannung verwendeten Quellspannung 22 unberücksichtigt bleiben, so dass die Hüllkurve der Messspannung 26 in einer an sich bekannten Weise herausgefiltert wird.
An einem Eingang des nachgeschalteten Komparators 48 liegt damit die demodulierte Messspannung 26 und somit die Zwischenspannung 30 an, die in der vorliegenden Ausführung frei von der in Rahmen der 4 erläuterten Restwelligkeit ist.
An den weiteren Eingang des Komparators wird in der vorliegenden Ausführung ebenfalls die Zwischenspannung 30 jedoch über einen an sich bekannten Tiefpassfilter 64 angelegt. Dadurch ändert sich die Zwischenspannung 30 an diesem Eingang viel langsamer als am anderen Eingang des Komparators 48. Infolgedessen Ändert sich die Ausgangsspannung des Komparaturs 48 zweimal pro Periode der Zwischenspannung 30, sofern eine Frequenz der Zwischenspannung 30 am Eingang eine Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 64 nicht zu deutlich unterschreitet. Weiterhin sollte beachtet werden, dass der hier ausgeführte Raddrehzahlsensor 10 eine gewisse Zeit nach dem Einschalten einer Betriebsspannung benötigt, bis das Tiefpassfilter 64 auf seinen Gleichgewichtswert eingeschwungen ist.
Das Tiefpassfilter 64 kann wie beispielhaft gezeigt, im einfachsten Fall als RC-Glied mit dem Vorteil ausgebildet sein, dass der Gleichgewichtswert variabel ist, so dass Veränderungen am Messaufnehmer 18 oder der Umgebung, etwa durch Temperaturänderung, keinen Einfluss auf die erfassten Raddrehzahlen 12 haben, sofern diese Änderungen langsam erfolgen.
Die Schaltung in 6 verwendet wieder den AM-Demodulator aus 3. Daran angeschlossen ist hier ein Tiefpassfilter 64, das in der vorliegenden Ausführung als aktives Tiefpassfilter zweiter Ordnung in Sallen-Key-Konfiguration ausgeführt ist. Durch das aktive Tiefpassfilter kann die Restwelligkeit in der Zwischenspannung 30 stark unterdrückt werden.
An das aktive Tiefpassfilter 64 schließt sich eine Verstärkerschaltung 66 an, die in der vorliegenden Ausführung in an sich bekannter Weise als invertierender Verstärker geschaltet ist. Ein weiteres Tiefpassfilter 64 in der Verstärkerschaltung 66 hat die gleiche Aufgabe wie das Tiefpassfilter 64 in der 5. Wird für die Verstärkerschaltung eine hohe Verstärkung gewählt, so geht die Ausgangsspannung überwiegend in eine positive oder negative Begrenzung der Verstärkerschaltung 66 und der Ausgang der Verstärkerschaltung 66 wirkt wie ein Logikausgang, an dem sich die das Raddrehzahlsignal 12 abgreifen lässt. Alternativ kann statt der Verstärkerschaltung 66 auch der Komparator 48 wie in 4 und 5 geschaltet werden.
Ein erster Teil 68 der Schaltung in 7 ist analog zur Schaltung aus 6 aufgebaut, wobei in 7 statt der Verstärkerschaltung 66 der verschaltete Komparator 48 angedeutet ist. Dieser erste Teil 68 der Schaltung ist bereits im Rahmen der 6 ausführlich beschrieben und referenziert worden, weshalb im Rahmen der 7 der Kürze halber nicht weiter auf den ersten Teil eingegangen wird.
Am Ausgang des ersten Teils 68 befindet sich in der vorliegenden Ausführung ein Schmitt-Trigger 70, der einen Komparator 72 aufweist, der in an sich bekannter Weise zur Festlegung einer Hysterese mit zwei Widerständen 74 beschaltet ist. An einem zweiten Eingang des Komparators 72 des Schmitt-Triggers 70 kann ein applikationsabhängig wählbares Referenzpotential 76 geschaltet werden. Der Schmitt-Trigger 70 hat mit seiner Hysterese die Aufgabe, mögliche Geschwindigkeitsimpulse am Ausgang der Schaltung zu verhindern, die sich ohne den Schmitt-Trigger 70 einstellen können, wenn das das Rad 6 sich im Stillstand befindet und sich daher die Induktivität der Spule 18 nicht ändert. In diesem Fall wäre es ohne Hysterese möglich, dass kleinste Veränderungen der Messspannung 26, z.B. durch Rauschen, im Raddrehzahlsignal 12 erscheinen, wo sie nicht mehr von einem von null verschiedenen Raddrehzahlsignal 12 zu unterscheiden sind.
An den Schmitt-Trigger 70 kann optional noch ein Verstärker 78 als Treiber angeschlossen werden, falls eine Last, an die das Raddrehzahlsignal 12 ausgegeben wird, dies erfordert. Der Verstärker 78 ist in der vorliegenden Ausführung als Spannungsfolger ausgeführt. Potentielle Schwingungen des Verstärkers 78 werden durch einen weiteren Widerstand 74 unterdrückt.
Im Rahmen der 7 können die Funktionen der letzten drei Komparatoren vor der Ausgabe des Raddrehzahlsignals 12 in einem Komparator vereinigt werden. Dieser Gesamtkomparator sollte dann, durch einen separaten Eingang oder durch die externe Beschaltung des Komparators 72 des Schmitt-Triggers 70, als Schmitt-Trigger zu verwenden werden. An einem Eingang wäre ein Tiefpass zu schalten und der Komparator sollte die Fähigkeit haben, die angeschlossene Last direkt zu treiben.
Die zuvor beschriebenen Schaltungen in den 4 bis 7 sind als rein exemplarische Beispiele zu verstehen, die in vielfacher Weise modifiziert und kombiniert werden können, ohne die beschriebene Funktion, das heißt die Auswertung einer Änderung der Induktivität der Spule 18 zur Erzeugung des Raddrehzahlsignals 12, zu verändern. Die einzelnen Schaltungsteile der beschriebenen Schaltungen realisieren dabei im Einzelnen eine Demodulation, eine oder mehrere Tiefpassfilterungen und einen Vergleich. Zur Realisierung dieser Funktionen können alle Schaltungen herangezogen werden, die hierzu dem Fachmann bekannt sind. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Verwendung eines beliebigen Tiefpasses beliebiger Ordnung oder Technologie für das Tiefpassfilter 64 aus 5 und 6 oder den Sallen-Key-Filter in 6 und 7. Besonders vorteilhaft für das Tiefpassfilter 64 wäre die Verwendung eines SC-Filters (SC = switched capacitor, geschaltete Kapazitäten), dessen Grenzfrequenz sich während des Betriebes anpassen lässt, um den Zielkonflikt aus schnellem Einschwingen nach Einschalten der Betriebsspannung und geringer Grenzfrequenz zu lösen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2520780 A1 [0002]
DE 10146949 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeit (12) zwischen einem als Induktivität (18, 20) ausgebildeten Messaufnehmer und einem die Induktivtät (18, 20) verändernden Geberelement (16) in einem Fahrzeug (2), umfassend: – Erfassen einer Änderung der Induktivität (18, 20); – Bestimmen der Geschwindigkeit (12) basierend auf der geänderten Induktivität (18, 20).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: – Anlegen einer Quellenspannung (22) an die Induktivität (18, 20), und – Erfassen einer Änderung einer basierend auf der Quellspannung (24) an der Induktivität (18, 20) abfallenden Messspannung (26), um die Änderung der Induktivität (18, 20) zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Quellspannung (22) eine Wechselspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wechselspannung (22) eine Frequenz (32) zwischen 30 KHz und 500 kHz aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, umfassend: – Demodulieren der an der Induktivität (18, 20) abfallenden Messspannung (26).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Demodulation eine Amplitudenmodulation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, umfassend: – Filtern der der an der Induktivität (18, 20) abfallenden Messspannung (26) mit einem Tiefpass (64) zur Demodulation.
Steuervorrichtung (36), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Geschwindigkeitssensor (10) zum Erfassen einer Geschwindigkeit (12) in einem Fahrzeug (2) umfassend – einen als Induktivität (18, 20) ausgebildeten Messaufnehmer, dessen Induktivtät (18, 20) von einem Geberelement (16) veränderbar ist, und – eine Steuervorrichtung (36) nach Anspruch 8 zum Erfassen der Geschwindigkeit (12) zwischen dem Messaufnehmer und dem Geberelement (16).
Geschwindigkeitssensor (10) nach Anspruch 9, wobei die Induktivität (18, 20) eine Spule (18) und ein durch die Spule geführtes Joch (20) umfasst, das zum Formen eines magnetischen Kreises über das Geberelement (16) eingerichtet ist.
Geschwindigkeitssensor (10) nach Anspruch 10, wobei das Joch (20) weichmagnetisch ausgebildet ist.
Geschwindigkeitssensor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, der eingerichtet ist, als Geschwindigkeit (12) eine Drehzahl zu erfassen.
Fahrzeug (2) umfassend einen Geschwindigkeitssensor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, einen Aktor und ein Steuergerät (14) zum Ansteuern des Aktors basierend auf der mit dem Geschwindigkeitssensor (10) erfassten Geschwindigkeit (12).
Fahrzeug (2) nach Anspruch 13, wobei die Steuervorrichtung (36) des Geschwindigkeitssensors (10) in das Steuergerät (14) integriert ist.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Steuergerät (14) eine Spannungsquelle (22) zum Abgeben einer an die Induktivität (18, 20) anlegbaren Quellspannung (24) umfasst.