DE3829390A1 - Verfahren und einrichtung zur drehzahlmessung - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur drehzahlmessungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein
richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw.
2.
Drehzahlmeßeinrichtungen dieser Art werden in großem Umfang
in Fahrzeugen eingesetzt, und zwar zum Messen der Drehzahl
einer Verteilerwelle, einer Kurbelwelle, einer Getriebeein
gangswelle, einer Getriebeausgangswelle oder einer Radach
senwelle. In einer derartigen Drehzahlmeßeinrichtung wird
beispielsweise mittels des als Zahnrad ausgebildeten Meß
körpers in dem Sensor periodisch ein Abstandssignal erzeugt,
dessen Frequenz zu der Drehzahl des Meßkörpers proportio
nal ist und das in der Wandlerschaltung zu einem frequenz
abhängigen Drehzahlsignal umgesetzt wird. Bei dieser bekann
ten Drehzahlmeßeinrichtung ist jedoch das Messen von
sehr niedrigen Drehzahlen äußerst schwierig, da die dabei
auftretenden niedrigen Frequenzen nicht schnell und genau
gemessen werden können. Wollte man diesen Mangel dadurch
beheben, daß man die Zähnezahl des Meßkörpers erhöht, so
würde zwangsläufig bei gleichbleibender Größe des Sensors
der Meßkörper vergrößert werden müssen und außerdem bei
hohen Drehzahlen sehr schnell die obere Frequenz der Wandler
schaltung erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 bzw. 2 derart auszugestalten, daß eine Messung
von Drehzahlen in einem weiten Bereich bis herab zu Dreh
zahlen nahe "0" ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auf die in dem kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 2 aufgeführte Weise
gelöst.
Somit wird erfindungsgemäß im niedrigen Drehzahlbereich
die Drehzahl aus dem sich stetig ändernden Abstand zwischen
dem Sensor und dem Meßkörper erfaßt.
In derEinrichtung wird der Meßkörper derart gestaltet, daß
sich der Abstand zu dem (ortsfesten) Sensor stetig z.B.
sinusförmig oder sägezahnförmig ändert, was eine entsprechende
Änderung des von dem Sensor abgegebenen Abstandssignals
ergibt. Dieses Abstandssignal wird einer Differenzierschal
tung zugeführt, in der das zeitliche Differential, nämlich
die Steilheit der Flanken des Abstandssignals erfaßt wird
und ein Differentialsignal erzeugt wird, das einer bestimmten
Steilheit des Abstandssignals entspricht. Da die Flanken
steilheit des Abstandssignals aber nur bis zu einer bestimm
ten oberen Grenzfrequenz die Drehzahl des Meßkörpers wieder
spiegelt, wird in einer Ausgabeschaltung das Differential
signal nur unterhalb der Grenzfrequenz anstelle des frequenz
abhängigen Signals aus der Wandlerschaltung als Drehzahl
signal abgegeben. Alternativ wird von der Ausgabeschaltung
als Drehzahlsignal das Differentialsignal dann abgegeben,
wenn dieses unter einem vorbestimmten, der oberen Grenz
frequenz entsprechenden Pegel liegt. Auf diese Weise wird
der Meßbereich der Drehzahlmeßeinrichtung nach unten bis
nahe "0" erweitert, ohne daß die Obergrenze des Meßbereichs
herabgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Drehzahlmeßeinrichtung kann somit vor
teilhaft in Getriebesteuersystemen, Anfahrschlupf-Steuersy
stemen oder Antiblockiersteuersystemen (ABS-Systemen) ein
gesetzt werden, deren Funktionsbereich dadurch praktisch
bis zum Stillstand des betreffenden Fahrzeugs erweitert
wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Einrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Bei
spielsweise wird erfindungsgemäß die Ausgabeschaltung aus
einem Frequenz- oder Pegeldetektor mit Schwellenwertcharak
teristik und einem durch den Detektor gesteuerten Umschalter
gebildet, der je nach der gerade erfaßten Drehzahl zwischen
den Ausgangssignalen der Differenzierschaltung und der Wand
lerschaltung umschaltet. Zweckdienlich erhält der Detektor
eine Hysteresecharakteristik hinsichltich der Höhe der Fre
quenz bzw. des Pegels. Dadurch wird ein unnötig häufiges
Umschalten des Drehzahlsignals in dem Grenzbereich zwischen
der Differentialmessung und der Frequenzmessung vermieden.
Das Ausgangssignal des Detektors kann auch dazu herangezogen
werden, die Wandlerschaltung ein- oder auszuschalten.
Die Umsetzung des Abstandsignals aus dem Sensor in das Diffe
rentialsignal und das frequenzabhängige Signal kann sowohl
auf digitale Weise als auch auf analoge Weise vorgenommen
werden. Es ist ferner zweckdienlich, zwischen der erfindungs
gemäßen Drehzahlmeßeinrichtung und einer nachgeschalteten
Auswertungseinrichtung oder Regeleinrichtung eine Glättungs
schaltung vorzusehen, durch die eine bei dem Umschalten
eventuell auftretende Stufe zwischen dem Differentialsignal
und dem frequenzabhängigen Signal "verschliffen" wird.
Als Sensoren können alle Meßgeber Anwendung finden, die
ein vom Abstand zum Meßkörper abhängiges Abstandsignal
liefern. Für den Einsatz in Fahrzeugen sind insbesondere
induktive Meßgeber wegen ihres robusten Aufbaus und ihrer
geringen Störanfälligkeit vorzuziehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in Blockdarstellung die Drehzahlmeßeinrich
tung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 zeigt in Blockdarstellung die Drehzahlmeßeinrich
tung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 zeigt Beispiele für die Gestaltung von Meßkörpern
und bei deren Umlauf entstehende periodische Abstandsände
rungen.
Fig. 4 zeigt weitere Beispiele für die Gestaltung von Meßkör
pern.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen Meßkörper und bei dessen
Umlauf entstehende Abstandsänderungen.
Fig. 6 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Differen
zierens in diskreten Zeitintervallen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Drehzahlmeßeinrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Mit dieser Einrich
tung wird die Drehzahl eines umlaufenden Meßkörpers 1 gemes
sen, der die Form eines symmetrischen Quadrats hat. In einem
bestimmten Abstand zur Achse des Meßkörpers 1 ist ortsfest
ein Sensor 2 angebracht. Der Sensor 2 kann ein induktiver,
kapazitiver oder auch Ultraschallsensor sein, der derart
ausgebildet ist, daß er ein zu einem Abstand x vom Umfang
des Meßkörpers 1 proportionales Signal erzeugt. In Folge
der Umfangsform des Meßkörpers 1 ändert sich der Abstand
x zu dem Sensor 2 periodisch derart, daß ein Abstandsignal
Us aus dem Sensor 2 mit einer zur Drehzahl des Meßkörpers
1 proportionalen Frequenz im wesentlichen sinusförmig oder
sägezahnförmig verläuft. Das Abstandsignal Us liegt an einer
Differenzierschaltung 3 an, die das Signal nach der Zeit
differenziert und ein Differentialsignal Ud abgibt, das
dem maximalen Gradienten bzw. der maximalen Steilheit des
Abstandsignals Us entspricht. Im Bereich niedriger Drehzahlen
stellt die maximale Steilheit des Abstandsignals Us ein
Maß für die Drehzahl des Meßkörpers 1 dar. Das Differenzieren
kann auf analoge Weise z.B. mittels eines Rechenverstärkers
und daran angeschlossener RC-Glieder oder auf digitale Weise
in vorbestimmten diskreten Zeitintervallen vorgenommen wer
den, was nachfolgend näher erläutert wird.
Das Abstandsignal Us liegt ferner an einem Frequenz/Spannungs-
bzw. f/V-Wandler 4 an, der ein von der Frequenz des Abstand
signals abhängiges, vorzugsweise zu dieser proportionales
Signal Uf erzeugt. Der f/V-Wandler 4 kann ein digitaler
Wandler sein, in welchem die periodischen Schwankungen des
Abstandsignals Us in lmpulse umgeformt und über eine vorbe
stimmte Zeit gezählt werden, wonach der Zählstand in eine
Spannung umgesetzt wird, die das frequenzabhängige Signal
Uf darstellt. Der Wandler 4 kann auch ein analoger Wandler
sein, in welchem die Frequenzabhängigkeit von Blindwider
ständen genutzt wird. In einem jeden Fall ist mit einem
derartigen Wandler eine niedrige Frequenz des Abstandsignals
Us nur sehr schlecht, d.h., mit nur geringer Genauigkeit
und Auflösung erfaßbar, so daß bei niedrigen Frequenzen
und damit niedrigen Drehzahlen das frequenzabhängige Signal
Uf aus dem Wandler 4 für eine weitere Auswertung ungeeignet
ist.
Da somit das Differentialsignal Ud nur im Bereich niedriger
Drehzahl und das frequenzabhängige Signal Uf nur im Bereich
höherer Drehzahl brauchbar ist, enthält die Drehzahlmeßein
richtung gemäß Fig. 1 eine Ausgabeschaltung, die einen Fre
quenz- bzw. f-Detektor 5 und einen Umschalter 6 oder gemäß
der Darstellung durch die strichpunktierten Linien einen
Pegeldetektor 7 und den Umschalter 6 enthält. Der f-Detek
tor nimmt das Abstandsignal Us auf und erzeugt bei einer
vorbestimmten Frequenz ein Schaltsignal für den Umschalter
6, der schematisch als mechanischer Schalter dargestellt
ist, jedoch vorzugsweise ein Analogschalter ist. Der Pegelde
tektor 7 erfaßt den Pegel des Differenzialsignals Ud und
gibt bei einem vorbestimmten Pegel ein Schaltsignal für
den Umschalter 6 ab. Von dem Detektor 5 oder 7 wird das
Schaltsignal vorzugsweise mit einer bestimmten Hysterese
hinsichtlich des Frequenz- oder Pegelwerts erzeugt. D.h.
der betreffende Detektor gibt das Schaltsignal ab, wenn
von niedrigen Werten her ein vorbestimmter höherer Schwellen
wert erreicht wird, und unterbricht das Schaltsignal, wenn
von höheren Werten her ein vorbestimter niedrigerer Schwel
lenwert erreicht wird. Dadurch wird ein unnötig häufiges
Umschalten im Übergangsbereich verhindert. Von dem Umschalter
6 wird normalerweise als Ausgangs- bzw. Drehzahlsignal Ua
das Differentialsignal Ud aus der Differenzierschaltung
3 weitergegeben. Sobald der Umschalter 6 durch das Schalt
signal umgeschaltet ist, wird als Ausgangs- bzw. Drehzahl
signal Ua das frequenzabhängige Signal Uf aus dem f/V-Wandler
4 ausgegeben. Dadurch wird erreicht, daß das Drehzahlsignal Ua
ohne wesentliche Verzögerung die Drehzahl in einem weiten
Bereich von nahezu "0" an wiederspiegelt. Das Drehzahlsignal
Ua wird dann in einer nicht dargestellten Schaltung, z.B.
eines Getriebesteuersystems, eines Zünd- oder Einspritz
steuersystems oder eines ABS-Systems ausgewertet.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Dreh
zahlmeßeinrichtung, das sich von dem ersten Ausführungsbei
spiel darin unterscheidet, daß das frequenzabhängige Signal
Uf mittels eines Transformators 10 gebildet wird. Bei diesem
zweiten Ausführungsbeispiel wird im Bereich niedriger Dreh
zahlen das Abstandsignal an einem Widerstand 8 abgenommen
und der Differenzierschaltung 3 sowie dem f-Detektor 5 zuge
leitet. Sobald der f-Detektor 5 das Erreichen einer vorbe
stimmten Frequenz des Abstandsignals Us erfaßt, erzeugt
er das Schaltsignal für den Umschalter 6, der zugleich auch
einen weiteren Umschalter 9 steuert. Der Umschalter 9, der
normalerweise einen Anschluß des Widerstands 8 auf Masse
legt, verbindet auf das Schaltsignal hin diesen Anschluß
mit der gegen Masse geschalteten Primärwicklung des Transfor
mators 10. Damit wird das Abstandsignal Us an die Reihen
schaltung aus dem Widerstand 8 und der Primärwicklung des
Transformators 10 angelegt, so daß an dem Transformator
10 eine mit steigender Frequenz ansteigende Spannung anliegt,
die in der Sekundärwicklung des Transformators die frequenz
abhängige Spannung Uf hervorruft. In der Darstellung sind
nachgeschaltete Gleichrichter- und Glättungselemente wegge
lassen, so daß lediglich die Funktion des Transformators
10 schematisch dargestellt ist.
Die Fig. 3 zeigt zwei Beispiele für den Meßkörper 1 sowie
jeweils den Verlauf der Änderung des Abstands x des Meßkör
perumfangs zu dem ortsfesten Sensor 2. Der Meßkörper 1 ist
jeweils als achssymmetrisches regelmäßiges Sechseck bzw.
Quadrat mit scharfen Kanten dargestellt.
Die Fig. 4 zeigt weitere Beispiele für die Gestaltung des
Meßkörpers 1, und zwar in Form eines achssymmetrischen Drei
ecks mit völlig abgerundeten Ecken, eines exzentrischen
Kreises bzw. eines normalen Zahnrads.
Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel für die Gestaltung
des Meßkörpers 1 und die bei dessen Drehung hervorgerufene
Änderung des Abstands x. Bei dem Beispiel nach Fig. 5 ist
der Meßkörper 1 als Taumelscheibe ausgebildet, der axial
in einem bestimmten radialen Abstand der Sensor 2 gegenüber
gesetzt ist. Bei dem Umlauf des Meßkörpers 1 ändert je nach
der Drehstellung die axiale Stirnfläche des Meßkörpers 1
auf dem Kreis mit dem radialen Abstand des Sensors 2 der
Abstand x zum Sensor.
In einem jeden Fall ist der Meßkörper 1 derart auszulegen,
daß sich bei dessen Drehung der Abstand x zu dem Sensor
2 im wesentlichen sinusförmig oder sägezahnförmig ändert,
damit die Flankensteilheit des sich dadurch ergebenden Ab
standsignals Us als Maß für die Drehgeschwindigkeit und
damit die Drehzahl herangezogen werden kann. Ein Beispiel
für die Erfassung der Flankensteilheit des Abstandsignals
Us ist in der Fig. 6 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird
davon ausgegangen, daß das Abstandsignal Us dadurch nach
der Zeit differenziert wird, daß die Amplitudendifferenz
in jeweils diskreten Zeitabständen Δ t erfaßt wird. Eine
derartige zeitliche Ableitung des periodisch geänderten
Abstands x zwischen dem Meßkörper 1 und dem Sensor 2 ergibt
aber nur dann eine fehlerfreie Berechnung der Geschwindig
keit und damit der Drehzahl, wenn der Zeitabstand Δ t für
die Differenzenbildung wesentlich kürzer als eine momentane
Periodendauer T des Abstandsignals Us ist. D.h., der Zeitab
stand Δ t muß beispielsweise ein Hundertstel bis ein Zwanzig
stel der Periodendauer T betragen. Hierbei ist zu berücksich
tigen, daß die Anstiegsgeschwindigkeit (und Abfallgeschwin
digkeit) des Signals aus dem Sensor 2 je nach dessen Ausfüh
rungsform auf einen bestimmten Wert begrenzt ist. Über einer
Drehzahl, die diesem Grenzwert der Signalanstiegsgeschwindig
keit des Sensors entspricht, wird nur die dieser Anstiegs
geschwindigkeit entsprechende Amplitudendifferenz, also
nur ein konstanter Wert gemessen, der nicht der tatsächlichen
Drehzahl entspricht. In der Drehzahlmeßeinrichtung gemäß
den Ausführungsbeispielen wird daher mit einem bestimmten
Sicherheitsabstand von der Ermittlung der Drehzahl aus der
Flankensteilheit auf die Ermittlung der Drehzahl aus der
Frequenz umgeschaltet.
Die Differenzierschaltung 3, der f/V-Wandler 4 und der f-De
tektor 5 oder der Pegeldetketor 7 können zusammen mit dem
Umschalter 6 als Mikrocomputer mit entsprechenden Zusatzein
heiten wie einem Analog/Digital-Wandler, einem Impulsformer,
einem Digital/Analog-Wandler oder dergleichen aufgebaut
werden. Zur Differenzierung werden die Amplitudenwerte des
Abstandsignals Us in vorbestimmten Zeitabständen abgefragt,
die Differenzen der Amplitudenwerte gebildet und die maxima
len Differenzen herausgegriffen. Zur Frequenz/Spannung-Umset
zung werden aus dem Abstandsignal Us Impulse geformt, die
Impulse gezählt und der Zählstand in die frequenzabhängige
Spannung Uf umgesetzt. Der Impulszählstand kann auch zur
Erzeugung des Schaltsignals für den Umschalter 6 herangezogen
werden, wobei durch das Schaltsignal auch zwischen einem
höheren und einem niedrigeren Impulszählstand umgeschaltet
werden kann, um die erwünschte Hysteres hinsichtlich des
Frequenzwerts zu erhalten.
Gemäß der Beschreibung kann somit die Drehzahl des Meßkörpers
in einem weiten Bereich bis nahezu "0" genau und ohne wesent
liche Verzögerung erfaßt werden, so daß das erhaltene Dreh
zahlsignal sehr vorteilhaft in Regel- und Steuersystemen
für Fahrzeuge herangezogen werden kann.
Claims (8)
1. Verfahren zum Messen der Drehzahl eines Meßkörpers,
bei dessen Drehung sich periodisch der Abstand zu einem
Sensor ändert, der ein vom Abstand abhängiges Abstandssignal
abgibt, das in einer Wandlerschaltung in ein frequenzabhän
giges Signal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung der Drehzahl im unteren Drehzahlbereich
der sich stetig verändernde Abstand zwischen dem Sensor
und einer Fläche oder Teilfläche des Meßkörpers herangezogen
wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, bei der der Sensor das vom Abstand zum Meßkörper abhängige
Abstandssignal abgibt, das in der Wandlerschaltung in das
frequenzabhängige Signal umgesetzt wird, dadurch gekenn
zeichnet,
daß der Sensor (2) derart angeordnet ist, daß sich bei der Drehung des Meßkörpers der Abstand (x) zu einer Meßkörper-Teilfläche stetig ändert,
daß eine Differenzierschaltung (3) das sich stetig ändernde Abstandssignal (Us) des Sensors nach der Zeit zu einem Differentialsignal (Ud) differenziert und
daß eine Ausgabeschaltung (5, 6; 6, 7) vorgesehen ist, die die Frequenz des Abstandssignals und/oder den Pegel des Differentialsignals erfaßt und unterhalb einer vorbe stimmten Frequenz bzw. eines vorbestimmten Pegels als Dreh zahlsignal (Ua) statt des frequenzabhängigen Signals (Uf) aus der Wandlerschaltung (4; 10) das Differentialsignal ausgibt.
daß der Sensor (2) derart angeordnet ist, daß sich bei der Drehung des Meßkörpers der Abstand (x) zu einer Meßkörper-Teilfläche stetig ändert,
daß eine Differenzierschaltung (3) das sich stetig ändernde Abstandssignal (Us) des Sensors nach der Zeit zu einem Differentialsignal (Ud) differenziert und
daß eine Ausgabeschaltung (5, 6; 6, 7) vorgesehen ist, die die Frequenz des Abstandssignals und/oder den Pegel des Differentialsignals erfaßt und unterhalb einer vorbe stimmten Frequenz bzw. eines vorbestimmten Pegels als Dreh zahlsignal (Ua) statt des frequenzabhängigen Signals (Uf) aus der Wandlerschaltung (4; 10) das Differentialsignal ausgibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzierschaltung (3) als Differentialsignal
(Ud) ein der maximalen Steilheit des Abstandssignals (Us)
entsprechendes Signal abgibt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Ausgabeschaltung einen Detektor (5; 7) zum
Erfassen der Frequenz bzw. des Pegels und eine durch das
Ausgangssignal des Detektors gesteuerte Umschalteinrichtung
(6) zum Wechseln zwischen dem frequenzabhängigen Signal
(Uf) und dem Differentialsignal (Ud) aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor (5; 7) für die Frequenz bzw. den Pegel
mit Hysterese hinsichtlich der das Wechseln herbeiführenden
Höhe der Frequenz bzw. des Pegels ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Ausgangssignal des Detektors (5; 7) über eine
Schalteinrichtung (9) die Wandlerschaltung (10) ein- oder
ausschaltet.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Differenzierschaltung (3) ein Dif
ferenzierglied mit einer nachgeschalteten Spitzenwerthalte
schaltung aufweist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Differenzierschaltung (3) einen
in vorbestimmten Zeitabständen über eine vorbestimmte Zeit
spanne wirkenden Analog/Digitalwandler und einen den Spitzen
wert aus dem Wandler vorübergehend haltenden Speicher auf
weist.
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