DE19640760C2 - Schaltungsanordnung für einen induktiven Sensor mit zwei getrennt angeordneten Gebern - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Sensor mit zwei getrennt angeordneten Gebern nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon bekannt, mit einem derartigen Geber beispielsweise die Geschwindigkeit eines Rades bzw. eines Kraftfahrzeugs zu messen. Dabei wird z. B. ein Magnetstreifen mit wechselnden Polaritäten in die Radfelge eingelegt, so daß die induktiven Geber beim Abtasten der Magnete zwei sinusförmige Wechselspannungen liefern. Jede Wechselspannung wird dabei auf einen Schmitt-Trigger geschaltet, der aus der sinusförmigen Wechselspannung entsprechende Rechtecksignale bildet. Durch Verknüpfung der beiden Rechtecksignale steht am Ausgang einer entsprechenden Verknüpfungslogik eine der Raddrehzahl proportionale Impulsfolge zur Verfügung.

Äußere Störeinflüsse, insbesondere statische Magnetfelder in Form aufmagnetisierter Radfelgen, elektromagnetische Störeinstrahler, z. B. elektrische Verbraucher im Kraftfahrzeug und/oder starke Rundfunksender führen bei einer derartigen Sensorschaltung vermehrt zu Fehlern. Das Sensorsignal wird durch diese Störeinstrahlung fehlerhaft über den Referenzspannungspegel der nicht invertierenden Schmitt-Triggereingänge angehoben oder unter diesen Spannungspegel abgesenkt. Hierdurch schalten die Ausgänge der Schmitt-Trigger fehlerhaft, so daß es zum Verlust von Sensorsignalen kommen kann. Derartige Störungen wirken sich wie eine niederfrequente Grundschwingung aus, die mit dem Nutzsignal des Sensors moduliert wurde.

Weiter ist aus der US-A-3 967 064 eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der in zwei Schaltungszweigen angeordnete Spulen von derselben Wechselspannungsquelle gespeist werden, wobei zwischen den beiden Spulen ein bewegliches Element angeordnet ist. Die Ausgangssignale der beiden Spulen sind einem Differenzverstärker zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal in Abhängigkeit der Lage des beweglichen Elements zwischen den Spulen und, aufgrund der Differenzbildung innerhalb des Differenzverstärkers, frei von Rauschen der Wechselspannungsquelle abnehmbar ist. Weiterhin sind die Ausgangssignale der beiden Spulen einem Addierer zugeführt, an dessen Ausgang ein das Rauschen der Wechselspannungsquelle repräsentierendes Signal abnehmbar ist, das zur Regelung der Wechselspannungsquelle herangezogen wird.

In der DE-OS 27 36 418 ist eine Anordnung beschrieben, bei der mittels eines mit einer Maschinenwelle gekoppelten optoelektronischen Impulsgebers zwei gegeneinander versetzte Impulsfolgen erzeugt werden, aus denen die Drehzahl, der Drehwinkel und die Drehrichtung der Maschinenwelle mittels einer Auswerteschaltung bestimmt werden.

Schließlich ist in U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter- Schaltungstechnik", 5. Aufl., Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1980, S. 405-407 ein elektronischer Schalter basierend auf einem beschalteten Differenzverstärker beschrieben, dessen Ausgangssignal abhängig von einem Eingangs- bzw. Steuersignal zwischen zwei vorgegebenen Werten umgeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Induktivgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auftretende Störungen, die vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder auch durch äußere Magnetfelder entstehen können, nicht zu Fehlern bei der Auswertung der Impulsfolge führen können, da lediglich die Differenz der beiden Wechselspannungen ausgewertet wird, nicht jedoch ihre absolute Höhe. Durch die fest vorgegebene Zuordnung der beiden Geber ergibt sich zwischen den beiden Wechselspannungen eine entsprechende Phasenverschiebung, die bei der Auswertung berücksichtigt wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Auswerteschaltung einen Differenzverstärker mit einer Hysterese aufweist, so daß eine niederfrequente Störspannung ausgeblendet wird, und das Umschalten am Ausgang des Differenzverstärkers zwischen logisch 1 und logisch 0 eindeutig und zuverlässig erfolgt.

Durch die Kopplung der beiden phasenverschobenen Wechselspannungen an die beiden Eingänge des Differenzverstärkers der Auswerteschaltung wird vorteilhaft nur ein minimaler Bauteileaufwand erreicht. Ein zweiter Differenzverstärker ist nicht erforderlich.

Eine günstige Lösung ergibt sich, wenn die beiden Geber so zueinander angeordnet sind, daß die von ihnen erzeugten Spannungssignale eine Phasenverschiebung von 90 Grad bilden. Dadurch werden am Ausgang der Auswerteschaltung symmetrische Rechteckimpulse gebildet, mit denen durch Auszählen auf einfacher Weise die Geschwindigkeit errechnet werden kann. Weichen die Rechteckimpulse von der erwarteten Struktur wesentlich ab, dann kann dies ein Indiz für ein Störsignal sein.

Als Geber eignen sich bevorzugt Magnetspulen oder Feldplatten, da diese insbesondere bei den rauhen Bedingungen im Kraftfahrzeug unempfindlich gegen Schmutz, Hitze und Nässe sind. Mit derartigen Sensoren kann auf einfacher Weise durch Zählen der Impulse die Geschwindigkeit des Rades bzw. des Kraftfahrzeugs ermittelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine bekannte Auswerteschaltung für einen Radsensor, Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit den sinusförmigen Wechselspannungen der Geber, Fig. 3 zeigt ein zweites Diagramm mit der Umwandlung der Wechselspannung in eine Rechteckspannung am Ausgang eines Schmitt-Triggers, Fig. 4 zeigt ein drittes Diagramm mit einer modulierten Grundschwingung, Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Ausführungsbeispiel, Fig. 6 zeigt ein Spannungsdiagramm des Ausführungsbeispiels, Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 8 und 9 zeigen Spannungsdiagramme.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Problematik der Störsignalbildung soll zunächst anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine bekannte Auswerteschaltung mit einem Radsensor 3, der als Induktivgeber zwei Geber mit Induktionsspulen 1, 2 aufweist. Die Geber sind jeweils über einen Tiefpaßfilter 4, 5 mit einer Auswerteschaltung verbunden, die im wesentlichen einen Schmitt-Trigger 6, 7 enthält und deren Ausgänge 14, 15 mit einer Verknüpfungslogik 18 verbunden sind. Der Verknüpfungslogik 18 ist ein Verstärker 19 nachgeschaltet, an dessen Ausgang eine geschwindigkeitsproportionale Rechteck-Impulsfolge abgreifbar ist.

Beim Abtasten des Induktivgebers, beispielsweise eines Magnetstreifens mit wechselnder Polarität, der in der Inneseite einer Radfelge angeordnet ist, entsteht wegen der versetzt angeordneten Geber (Induktionsspulen) 1, 2 der Spannungsverlauf U₁, U₂ nach Fig. 2 mit einem Phasenversatz, der durch die Zuordnung der beiden Geber 1, 2 vorgegeben ist. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 4, 5 (Fig. 1) wird die Spannung am Integrierer 8, 9 integriert und auf den invertierenden Eingang eines Verstärkers 12, 13 gegeben und liegt hier als Gleichspannung U₁₂ (Fig. 3) als Referenzspannung an. Das sinusförmige Sensorsignal U₁₃ wird auf den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 12, 13 geschaltet. Am Ausgang 14, 15 der Schmitt-Trigger 6, 7 liegt dann das Rechtecksignal U₁₇ mit den Werten logisch 1 und logisch 0 an. Die Verknüpfungslogik 18 bildet aus den Ausgangssignalen der Schmitt-Trigger 6, 7 eine der Frequenz der Radumdrehung proportionale Impulsfolge. Zur Weiterverarbeitung steht das Signal am Ausgangsverstärker 19 an.

Treten nun gemäß der Fig. 4 Störungen z. B. infolge von elektromagnetischen Feldern auf, dann wird das Sensorsignal U₂₀ mit einer niederfrequenten Schwingung moduliert. Wird dieses modulierte Signal über den Referenzspannungspegel U₂₁ angehoben oder unter diesen Spannungspegel abgesenkt, dann werden nicht alle Sinusschwingungen der Spannung U₂₀ von der Referenzspannung U₂₁ geschnitten (Fig. 4, Mitte). Die Folge ist, daß die Ausgänge der Schmitt-Trigger 6, 7 für diese Sinusschwingungen keine Rechteckimpulse formen können. Es kommt daher zum Verlust von Sensorsignalen und somit zu einer Fehlmessung der Drehzahl oder der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Die Geber 23, 24 haben einen fest vorgegebenen Abstand zueinander, der vorzugsweise so bemessen ist, daß die von ihnen erzeugten sinusförmigen Wechselspannungen um 90 Grad phasenverschoben sind. Durch eine geänderte Anordnung der Geber 23, 24 kann auch jeder andere Phasenwinkel zwischen den erzeugten Sinusspannungen eingestellt werden. Die Geber 23, 24 sind beispielsweise als Spulen ausgebildet und in Reihe nebeneinander liegend angeordnet. Als Geber 23, 24 sind auch Magnetfeldplatten verwendbar, die vorzugsweise um 90 Grad versetzt sind. Die Geber 23, 24 sind mit den Eingängen einer Tiefpaßschaltung 26, 27 verbunden. Die Tiefpaßschaltungen sind dabei so ausgelegt, daß mit ihnen auch eine Pegelanpassung der Gebersignale durchführbar ist. Die Ausgänge 29, 30 der Tiefpaßschaltungen 26, 27 sind auf Eingänge einer Auswerteschaltung 28 geschaltet. Die Auswerteschaltung 28 weist vorzugsweise einen Differenzverstärker mit einer Hysterese auf, an deren Eingänge 31, 32 die Ausgänge 29, 30 der Tiefpaßschaltungen gekoppelt sind. An einem Ausgang 34 der Auswerteschaltung 28 ist die rechteckförmige Impulsfolge abgreifbar oder über einen weiteren Verstärker 33 weiter verarbeitbar. Bei einem Phasenversatz von 90 Grad zwischen den beiden Spannungen der Geber 23, 24 ergibt sich eine symmetrische rechteckförmige Impulsfolge mit den Werten logisch 1 und logisch 0. Bei jeder anderen Anordnung der Geber 23, 24 ändert sich das Tastverhältnis der rechteckförmigen Impulsfolge. Durch Zählen mittels eines einfachen (nicht dargestellten) Zählers kann die Drehzahl des Rades bzw. die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt werden.

Im folgenden wird die Funktionsweise dieser Anordnung näher erläutert. Die Signalerfassung und Aufbereitung mit den Tiefpaßfiltern 26, 27 ist analog zur Aufbereitung der Signale mit den Tiefpaßfiltern 4, 5. Auch beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann davon ausgegangen werden, daß durch elektromagnetische Felder bedingte Störeinflüsse ebenfalls zu einer modulierten Sinusschwingung führen, wie sie bereits zu Fig. 4 näher erläutert wurde. Fig. 6 zeigt nun, daß beide Geber mit den phasenverschobenen Spannungen U₃₅, U₃₆ das niederfrequente Sinussignal U modulieren. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik wird erfindungsgemäß die Differenz der beiden Signale U₃₅, U₃₆ ausgewertet. Bei Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Differenzwertes wird der Ausgang 34 der Auswertesschaltung 28 auf logisch 1 bzw. logisch 0 geschaltet. In Fig. 6 ist erkennbar, daß durch die niederfrequente Sinusschwingung U trotz der niederfrequenz-modulierten, phasenverschobenen Spannungen U₃₅, U₃₆ die Impulsfolge der Spannung U₃₄ zwar unsymmetrisch ist, aber alle Impulse gebildet wurden. Vorzugsweise ist der Differenzverstärker der Auswerteschaltung 28 mit einer Hysterese ausgebildet, um ein wiederholtes Umschalten im Schaltbereich zu vermeiden.

Im Gegensatz zum Verlauf der rechteckförmigen Impulsfolge gemäß der Fig. 4 wird beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel erreicht, daß jede Sinusschwingung zu einer rechteckförmigen Impulsfolge führt. Somit gehen trotz auftretender Störung keine Impulse verloren, so daß vorteilhaft die Messung sehr zuverlässig erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, mit den von den Gebern 23, 24 gelieferten Signalen die Drehrichtung des Rades bzw. die Fahrtrichtung des Fahrzeuges zusätzlich zu bestimmen. Ausgehend von dem Schaltbild der Fig. 5 zeigt Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein Inverter 37 mit seinem invertierenden Eingang an den Ausgang 29 der Tiefpaßschaltung 26 geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des Inverters 37 ist auf Masse gelegt. Der Ausgang des Inverters 37 ist auf einen nicht invertierenden Eingang 39 eines weiteren Komperators 38 geschaltet, wobei der weitere Komperator 38 vorzugsweise mit einer Hysterese ausgebildet ist. Ein nicht invertierender Eingang 40 des weiteren Komperators 38 ist mit dem Ausgang 30 der Tiefpaßschaltung 27 verbunden. Am Ausgang 42 des weiteren Komperators 38 ist wahlweise eine weiterer Verstärker 41 anschließbar. Die weitere Schaltunganordnung entspricht derjenigen, wie sie bereits zu Fig. 5 erläutert wurde.

Die Funktion dieser Schaltungsanordnung wird nun anhand der Spannungsdiagramme der Fig. 8 und 9 näher erläutert. In Fig. 8 ist zunächst im oberen Diagramm der Verlauf der phasenverschobenen Sinusspannungen U₁ und U₂ aufgetragen, wie er an den Gebern 23, 24 gemessen wird. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde der Spannungsverlauf ohne Beeinflussung der Störsignale dargestellt. Wie bereits zu Fig. 5 erläutert wurde, werden die Sinusspannungen U₁ bzw. U₂ der Geber 23 bzw. 24 über die Tiefpaßfilter 26 bzw. 27 dem Komperator 28 zugeführt. Der Komperator 28 bildet aus den Eingangssignalen die Rechteckspannung U₃₄ in der Beziehung U₁ < U₂. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 26 wird über den Inverter 37 dem invertierenden Eingang 39 des Komperators 38 zugeführt und liegt dort als invertierte Spannung U₁ an. Am nicht invertierenden Eingang 40 des weiteren Komperators 38 liegt die gefilterte Sinusspannung U₂ an. Der weitere Komperator 38 bildet aus den Eingangssignalen das Rechtecksignal U₄₂ mit der Beziehung U₂ < U1. Wird nun am Ausgang der beiden Komperatoren 28 bzw. 38 die Phasenlage der Ausgangssignale U₃₄ bzw. U₄₂ verglichen, so ist das Ausgangssignal U₃₄ um den Phasenwinkel +ϕ gegenüber dem Signal U₄₂ voreilend, wie die beiden Rechteckkurven der Fig. 8 zeigen. Durch diese Phasenlage ist eine eindeutige Zuordnung der Bewegungsrichtung gegeben.

Fig. 9 zeigt nun die gleichen Kurven bei entgegengesetzter Drehrichtung. Die Phasenlage der Sinusspannung U₁ und U₂ ist nun entgegengesetzt. Entsprechend zeigen die beiden Rechteckkurven für die Spannung U₃₄ bzw. U₄₂ eine Phasenverschiebung um den Winkel -ϕ.

Die Zuordnung der Phasenlagen der Eingangssignale bei Richtungsänderung zu der Phasenlage der Ausgangssignale ist in diesem Ausführungsbeispiel willkürlich gewählt und läßt sich jederzeit durch Vertauschen der Eingangssignale an den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen 31, 32 bzw. 39, 40 der Komperatoren 28 bzw. 38 ändern. Eine logische 1 am Ausgang des weiteren Verstärkers 41 bedeutet beispielsweise, daß das Fahrzeug in Vorwärtrichtung fährt, während eine logische 0 ein Zurücksetzen bedeutet. Mit dieser Information kann vorteilhaft beispielsweise ein Rückfahrscheinwerfer oder ein Warnsignal gesteuert werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung für einen Induktivgeber mit zwei getrennt angeordneten Gebern mit Induktivspulen, wobei die Spulen derart angeordnet sind, daß sie beim Überstreichen eines Ansteuerelements zwei phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen abgeben, mit jeweils einem Tiefpaßfilter, das jedem Geber nachgeschaltet ist und mit einer Auswerteschaltung, die die Spannungsdifferenz der von den Gebern (23, 24) gelieferten Wechselspannungen (U₃₅, U₃₆) vergleicht und an einem Ausgang (34) eine Spannung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (23, 24) im Bereich eines Rades eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind und zueinander einen Abstand aufweisen, der eine Phasenver­ schiebung von vorzugsweise 90 Grad der erzeugten Wechsel­ spannungen (U₃₅, U₃₆) erzeugt, daß der Ausgang (34) der Auswerteschaltung (28) bei Über-/ bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Differenzwertes der Wechselspannungen (U₃₅, U₃₆) auf logisch 1 bzw. 0 geschaltet wird und damit eine rechteckförmige Impulsfolge bildet, die für eine Geschwindigkeitsmessung des Rades bzw. des Kraftfahrzeugs verwendbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (28) aus der Phasenlage der Geberspannungen (U₁, U₂) die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges bestimmt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (28) einen Differenzverstärker mit einer Hysterese aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Eingänge (31, 32) des Differenzverstärkers (28) die phasenverschobenen Wechselspannungen (U₃₅, U₃₆) der Geber (23, 24) angekoppelt sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (23, 24) als Magnetspulen ausgebildet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (23, 24) als Magnetfeldplatten ausgebildet sind.