DE3829390A1 - Verfahren und einrichtung zur drehzahlmessung - Google Patents

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.

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.