DE19732960C2 - Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales - Google Patents
Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. WechselstromsignalesInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Auswertung
eines Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales, das
gegebenenfalls mit einem Gleichspannungs- bzw.
Gleichstromanteil behaftet ist, nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, daß durch Auswertung von periodisch
schwankenden Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignalen
verschiedene Meßgrößen ermittelbar sind. So werden
beispielsweise Drehzahl- bzw. Winkelmessungen mit Hilfe von
Induktivsensoren durchgeführt, die einen rotierenden Körper
mit charakteristischer Oberfläche abtasten. Da bei solchen
Messungen der Sensor fest ist, werden durch den rotierenden
Körper im Sensor, beispielsweise einem Induktivsensor mit
einer Meßspule periodisch schwankende Spannungen induziert.
Aus der Periode dieser Signale läßt sich die Drehzahl bzw.
bei geeigneter Ausgestaltung der Oberfläche des rotierenden
Körpers seine Winkelstellung ermitteln.
Solche Einrichtungen zur Erzeugung einer drehzahlabhängigen
Signalfolge sind beispielsweise in Verbindung mit der
Erfassung der Winkellage der Kurbel- oder Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine bekannt. Es ist dabei üblicherweise ein
ferromagnetisches Zahnrad mit der betreffenden Welle
verbunden. Dieses wird mit Hilfe eines eine Spule
umfassenden Sensors abgetastet. Da die induzierte Spannung
zum einen in ihrer Amplitude stark drehzahlabhängig ist und
zum anderen gegebenenfalls mit einer Störspannung überlagert
sein kann, sind Maßnahmen erforderlich, die eine saubere
Trennung des Nutzsignales vom Untergrundsignal
gewährleisten.
In der DE-PS 42 05 352 wird eine Einrichtung zum Gewinnen
von Impulssignalen beschrieben, die eine Trennung von
Nutzsignalen von einer zusätzlichen
Gleichspannungskomponente ermöglicht. Diese Trennung wird
mit Hilfe einer Offsetkompensation und einer
Tiefpaßfilterung durchgeführt. Weiterhin wird das
tiefpaßgefilterte Ausgangssignal in einem Komparator mit dem
ungefilterten Eingangssignal verglichen und es wird somit am
Ausgang des Komparators ein weitgehend störungsfreies
Ausgangssignal erhalten. Diese Schaltung läßt sich jedoch
noch nicht optimal an verschieden auszuwertende Signale
anpassen, sie ist außerdem nicht ohne weiteres an dynamische
Signalveränderungen anpaßbar.
Aus der US-PS 4 056 738 ist eine Schaltungsanordnung zur
Auswertung von Signalen, insbesonders optischen Signalen
bekannt, bei der die Signale mit Hilfe eines
Fensterkomparators mit einem oberen und einem unteren
Schwellwert ausgewertet werden. Die beiden Schwellwerte des
Fensterkomparators sind dabei in Abhängigkeit vom
auszuwertenden Signal verschiebbar, so daß eine Anpassung
der Schwellwerte an die Signalhöhe möglich ist. Zur
Schwellwertverschiebung wird ausgewertet, wie oft das
auszuwertende Signal innerhalb einer vorgebbaren Zeit den
oberen Schwellwert überschreitet. Wird der obere Schwellwert
häufig überschritten, werden beide Schwellwerte erhöht.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Auswertung eines
Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales, das
gegebenenfalls mit einem Gleichspannungs- bzw.
Gleichstromanteil behaftet ist, mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr
sichere Signalauswertung möglich ist, unabhängig davon, wie
hoch der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil ist.
Besonders vorteilhaft ist, daß Änderungen der Höhe des
auszuwertenden Signales keine negativen Auswirkungen auf die
Signalauswertung haben. Erzielt werden diese Vorteile, indem
das auszuwertende Wechselspannungssignal einem
Fensterkomparator zugeführt wird, dessen obere und dessen
untere Schwelle veränderbar ist und daß beide Schwellen
verändert werden, sobald das auszuwertende Wechselspannungs-
bzw. Wechselstromsignal eine der beiden Schwellen erreicht.
In vorteilhafter Weise werden dabei beide Schwellen gleich
stark verschoben. Diese Verschiebung kann erreicht werden
durch Erzeugung einer Hilfsspannung, die den Schwellen
jeweils überlagert werden kann. Am Ausgang des
Fensterkomparators entsteht ein Rechtecksignal mit dem
Taktverhältnis TA, aus dem die Drehzahl ermittelbar ist.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den
Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist
besonders vorteilhaft, daß sich die Einsatzmöglichkeiten auf
beliebige Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignale
erstrecken. Auch eine Ausdehnung auf allgemeine
impulsförmige Signale ist möglich. In Verbindung mit der
Drehzahl- oder Winkelerfassung bei rotierenden Teilen,
beispielsweise Wellen in einem Kraftfahrzeug, ist eine
sichere Auswertung über einen großen Drehzahlbereich
möglich.
Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung in
Verbindung mit der Auswertung der Phasenspannung eines
Generators läßt sich sowohl die Drehzahl des Generators als
auch der Beginn der Drehung sicher bestimmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Schaltung in Verbindung mit einer Drehzahlauswertung. Die
Fig. 2 und 3 zeigen zwei Schaltungsmöglichkeiten für die
Spannungsnachführung und in Fig. 4 sind simulierte
Signalverläufe für verschiedene Bedingungen dargestellt.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für
eine Sensorsignalauswertung dargestellt. Dabei ist die
Eingangsspannung UE der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung die Ausgangsspannung eines Sensors SE,
der eine rotierende Scheibe SCH mit Winkelmarken WM und
Zwischenräumen ZR abtastet. Die rotierende Scheibe ist mit
einer Welle W verbunden, beispielsweise der Kurbel- oder
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Durch das Vorbeilaufen
der Winkelmarken WM und der Zwischenräume ZR am Sensor SE
wird in diesem eine Wechselspannung erzeugt, die von der
Drehzahl der Scheibe SCH bzw. der Winkel W abhängt. Aus der
Periode des Wechselspannungssignals UE läßt sich die
Drehzahl der Welle W bestimmen. Zur einfacheren Auswertung
soll die Wechselspannung UE in eine Rechteckspannung
gewandelt werden. Diese Spannungswandlung erfolgt mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung. Durch Auswertung
der Flanken bzw. Flankenabstände des Rechtecksignales läßt
sich neben der Drehzahl auch die Winkelstellung der Welle W
ermitteln. Falls eine Bezugsmarke BZM auf der Scheibe SCH
vorhanden ist, kann auch diese durch Auswertung des
aufbereiteten Sensorsignales in bekannter Weise ermittelt
werden.
Da beim Einsatz eines Sensors SE, der nach dem
Induktivprinzip arbeitet, auch die Höhe der
Sensorausgangsspannung stark von der Drehzahl abhängt und da
außerdem unter ungünstigen Umständen ein
Gleichspannungspotential vorhanden sein kann, dem die
periodische Schwankung überlagert ist, wird die
Sensorausgangsspannung als Eingangsspannung UE der im
folgenden beschriebenen Auswerteschaltung PH zugeführt.
Anstelle der Auswertung der von einem Sensor SE gelieferten
Wechselspannung UE kann auch eine beliebige Wechselspannung
dem Schaltungsblock PH zur Auswertung zugeführt werden.
Beispielsweise kann auch die Phasenspannung eines
Drehstromgenerators, die ebenfalls einen Wechselanteil sowie
gegebenenfalls einen Gleichanteil aufweist, zur
Drehzahlermittlung des Generators ausgewertet werden.
Grundsätzlich läßt sich nahezu jedes Wechselsignal in der
Schaltungsanordnung PH in ein Rechtecksignal wandeln.
Die Auswertung der Wechselspannung UE erfolgt in dem
Schaltungsblock PH, der als getrennte Schaltung oder als
Bestandteil des Sensors SE bzw. eines sonstigen Signal
liefernden Bauteils ausgebildet sein kann. Die Zuführung der
auszuwertenden Spannung UE erfolgt über den Eingang EIN.
Der Schaltungsblock PH besteht aus zwei Vergleichern bzw.
Komparatoren V1 und V2, die zusammen mit dem Block FK einen
Fensterkomparator bilden. In den Komparatoren V1 und V2 wird
dabei die Wechselspannung UE mit einem oberen Schwellwert
UOS bzw. einem unteren Schwellwert UUS verglichen. Ist die
Spannung größer als der obere Schwellwert UOS, löst der
Fensterkomparator einen Zählvorgang UP aus, der über den
Block SN, in dem eine Spannungsnachführung bewirkt wird,
eine Spannungserhöhung durchgeführt wird. Es wird dann
sowohl der obere Schwellwert als auch der untere Schwellwert
erhöht. Ergibt der Spannungsvergleich im Fensterkomparator,
daß die Spannung innerhalb des Fensterbereiches liegt, wird
vom Fensterkomparator ein Stopsignal abgegeben, die
Spannungsnachführung wird dann unterdrückt. Liegt die
Spannung unterhalb einem unteren Schwellwert UUS, gibt der
Fensterkomparator ein Down-Zählsignal ab und durch die
Spannungsnachführung wird sowohl die obere als auch die
untere Schwelle herabgesetzt. Am Taktausgang TA der
Spannungsnachführung SN wird ein Rechtecksignal abgegeben,
das jeweils bei Initiierung einer Spannungsnachführung
seinen Pegel wandelt und letztendlich Informationen über die
Drehzahl enthält, die auswertbar sind und beispielsweise dem
Steuergerät der Brennkraftmaschine oder dem Spannungsregler
zugeführt werden, worauf dieser seine Regelstrategie in
Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl festlegt. Die
genauen Umschaltbedingungen für die Spannungsnachführung
werden im Zusammenhang mit Fig. 4 noch erläutert.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausgestaltungen der
Spannungsnachführung SN dargestellt. Im ersten Beispiel nach
Fig. 2 ist ein n-bit Auf-Abwärts-Zähler Z vorhanden, der
vom Fensterkomparator mit den Signalen Up, Stop und Down
angesteuert wird. Je nach Ansteuerung zählt der Zähler also
aufwärts oder abwärts oder bleibt auf einem konstanten
Zählwert. Der Zählerstand des Zählers Z wird im Digital-
/Analog-Wandler DAC in eine Analogspannung gewandelt, die
den oberen und den unteren Schwellwert UOS und UUS bestimmt.
Überschreitet die Spannung die obere Komparatorschwelle,
wird die Zählrichtung des Zählers Z auf Up gesetzt und der
Zählerstand und somit die Hilfsspannung wird über eine
festgelegte Taktrate soweit erhöht, daß sich die Spannung
wieder unterhalb der oberen Schwelle befindet. Eine
Umschaltung der Zählrichtung auf Down erfolgt erst, wenn die
Spannung den unteren Schwellwert unterschreitet, wobei zu
beachten ist, daß der untere Schwellwert hochgesetzt wurde.
Die Spannungsnachführung kann als Erzeugung einer
Hilfsspannung bezeichnet werden, wobei die Hilfsspannung
beiden Schwellwerten zur Schwellwertverschiebung überlagert
wird.
Die erwähnte Schwellenumschaltung kann anhand der Fig. 4
wie folgt erläutert werden: erreicht die Spannung die obere
Schwelle UOS, wird die obere Schwelle hochgesetzt, da der
Fensterkomparator den Zähler Z veranlaßt, aufwärts zu
zählen. Gleichzeitig wird über die Spannungsnachführung auch
die untere Schwelle hochgesetzt, wobei im Bereich 1 die
untere Schwelle weniger stark erhöht wird, da sich die
Schaltung an ihrem unteren Anschlag befindet. Nach Abfall
der Spannung UE auf einen Wert, der der unteren Schwelle UUS
entspricht, werden die beiden Schwellen wieder
zurückgeschaltet auf ihren ursprünglichen Wert. Beim
nächsten Erreichen der oberen Schwelle durch die Spannung
werden die Schwellen wieder hochgesetzt und nach Erreichen
der unteren Schwelle wieder zurückgesetzt.
Beim Hochsetzen der Schwellen wird der Seteingang des Flip-
Flops FF, der mit dem Up-Eingang des Zählers Z verbunden ist
gesetzt. Beim Zurückschalten erfolgt ein Reset des Flip-
Flops FF. Am Ausgang des Flip-Flops FF wird somit ein VCL-
Auswertesignal TA erhalten, dessen Impulsabstände,
beispielsweise werden jeweils die Rückflanken ausgewertet,
genau ein Maß für die Frequenz der Spannung darstellt. Das
Auswertesignal TA hat bei jeder Schwellenveränderung einen
Pegelwechsel.
In den Bereichen 2, 3 und 4 der Fig. 4 sind Beispiele
dargestellt, bei denen die Spannung beim Erreichen des
oberen und des unteren Schwellwertes jeweils eine
Schwellwertverschiebung auslöst. Im Bereich 2 wird dabei
zunächst die obere Schwelle erreicht und nach Erreichen
werden beide Schwellen erhöht. Sinkt die Spannung wieder auf
die untere Schwelle, werden beide Schwellen auf ihren
ursprünglichen Wert erniedrigt und bei Erreichen der
erniedrigten Schwelle erhält der Zähler Z ein Down-Signal,
wodurch beide Schwellen um denselben Wert erniedrigt werden.
Schwellenverschiebungen werden also grundsätzlich ausgelöst,
wenn die Phasenspannung eine der Schwellen erreicht.
Bei dem im Bereich 3 dargestellten Signalverlauf erreicht
die Phasenspannung zuerst die untere Schwelle. Dadurch wird
dem Zähler zunächst ein Down-Signal zugeführt und er zählt
abwärts, wodurch die beiden Schwellen zunächst erniedrigt
werden. Nach Erreichen der oberen herabgesetzten Schwelle
wird wieder auf den ursprünglichen Schwellwert
zurückgeschaltet und bei Erreichen dieses Schwellwertes
erfolgt eine weitere Schwellenerhöhung, wobei jeweils der
obere und der untere Schwellwert in gleichem Maß verändert
wird.
In dem mit 4 bezeichneten Bereich befindet sich die
Schaltung am oberen Anschlag. Das Wechselspannungssignal
sitzt dabei auf einem so hohen Gleichspannungspegel, daß
eine Schwellwerterhöhung nicht mehr stattfinden kann,
sondern nur noch eine Absenkung bei Erreichen der unteren
Schwelle. Eine Auswertung des VCL-Signales TA ist jedoch
dennoch noch möglich.
Anhand des VCL-Signales TA wird, wie bereits erläutert, zum
einen erkannt, ob sich die Welle dreht oder ob sie steht.
Durch Ausmessen des Zeitabstandes gleichartiger Flanken des
VCL-Signales läßt sich die Drehzahl bestimmen und
nachfolgend weiterverarbeiten.
In Fig. 3 ist eine zweite Möglichkeit der
Spannungsnachführung dargestellt, die Erzeugung des
Auswertesignales TA ist gleich wie beim Beispiel nach Fig.
2. Bei dieser Lösung wird der Zähler ersetzt durch eine
zuschaltbare Stromquelle. Wird vom Fensterkomparator ein Up-
Signal gegeben, wird der Kondensator C durch Zuführen eines
Stromes I aufgeladen und die untere Schwelle wird erhöht.
Die Differenz zwischen unterer und oberer Schwelle wird mit
Hilfe einer Spannungsquelle, die eine Spannung UF liefert,
konstant gehalten, das heißt die obere Schwelle wird in
gleichem Maß erhöht wie die untere Schwelle. Gibt der
Fensterkomparator ein Down-Signal, wird der Kondensator C
entsprechend entladen und die Schwellen werden abgesenkt.
Solange ein Stopsignal anliegt, bleiben die Schwellen
konstant.
Wird die erfindungsgemäße Spannungsauswertung bzw.
Stromauswertung allgemein zur Auswertung einer periodischen
Spannung eingesetzt, ist eine vorteilhafte Abtrennung des
Wechselanteils von einem eventuell vorhandenen
Gleichspannungsanteil möglich und die reine Wechselspannung
auswertbar.
Die Auswertung der Phasenspannung eines Generators
ermöglicht die Bestimmung der Drehzahl des Generators.
Claims (6)
1. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromsignales, das gegebenenfalls mit einem
Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil behaftet ist, wobei
das Signal einem Fensterkomparator zugeführt wird, dessen
oberer und unterer Schwellwert durch Spannungsnachführung
veränderbar ist und beide Schwellwerte verändert werden,
sofern das auszuwertende Wechselspannungs- bzw.
Wechselstromsignal einen der Schwellwerte erreicht und die
Spannungsnachführung für die Schwellwerte des
Fensterkomparators mit Hilfe einer Spannungsnachführungs
schaltung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spannungsnachführungsschaltung einen Zähler umfaßt, der vom
Fensterkomparator Ansteuersignale Up, Stop, Down erhält, die
eine Spannungserhöhung, eine Spannungskonstanthaltung oder
eine Spannungsverringerung bewirken und dessen Zählerstand
mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers in die Hilfsspannung
gewandelt wird, die dem oberen und dem unteren Schwellwert
des Fensterkomparators überlagert wird.
2. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromsignales nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannungsnachführungsschaltung zwei
Schaltmittel umfaßt, über die ein Kondensator durch Zuführen
eines Stromes aufgeladen oder durch Abführen eines Stromes
entladen werden kann oder aber auf konstantem Potential
gehalten wird.
3. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromsignales nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungsquelle vorhanden
ist, die mit dem Kondensator in Verbindung steht und so
ausgelegt ist, daß am Verbindungspunkt zwischen
Konstantspannungsquelle und Kondensator die untere
Schwellenspannung und auf der entgegengesetzten Seite der
Konstantspannungsquelle die obere Spannungsschwelle
abgreifbar ist.
4. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromsignales nach einem vorhergehenden
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flip-Flop
vorhanden ist, dessen S-Eingang bei Erzeugung eines Up-
Ansteuersignales gesetzt wird, dessen R-Eingang bei
Erzeugung eins Down-Signales angesteuert wird und an dessen
D-Taktausgang das Ausgangssignal entsteht.
5. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromsignales nach einem vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung
eines drehzahlbhängigen Signales aus dem Ausgangssignal
(VCL) die Drehzahl ermittelt wird.
6. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw.
eines Wechselstromes nach einem der Ansprüch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung eines
Signales, das aus der Phasenspannung eines Generators
gewonnen wird, aus dem Abstand vorgebbarer, insbesonders
gleichartiger Signalflanken des Ausgangssignales (VCL) die
Drehzahl des Generators ermittelt wird.
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