DE4018834A1

DE4018834A1 - Vorrichtung zur unterscheidung zwischen gegensinnigen bewegungsrichtungen eines teils

Info

Publication number: DE4018834A1
Application number: DE19904018834
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Ing Hinrichsen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1989-06-20
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1991-01-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Übliche Vorrichtungen dieser Art arbeiten mit zwei in Bewegungs richtung gegeneinander versetzten Sensoren und erfordern einen relativ großen Aufwand, zumal sie an den jeweiligen Abstand zwischen den Unsymmetrien lagemäßig angepaßt sein müssen.

Aus der DE-OS 31 34 020 ist ferner eine Anordnung zum Bestimmen der Drehzahl und der Drehrichtung einer Welle bekannt, die einen weichmagnetischen Rotor mit mehreren, sich in radialen Richtungen erstreckenden Polen besitzt, die mit unterschiedlichen Winkellagen aufeinanderfolgen; außerdem ist ein Stator vorgesehen mit zwei gegensinnig angesteuerten Erregerspulen und einer Abgriffsspule. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Felder der Erregerspulen wechselweise Spannungssignale in der Abgriffsspule induzieren, und aus der zeitlichen Reihenfolge und Aufeinanderfolge der Spannungs signale werden Drehrichtung und Drehzahl ermittelt. Diese bekannte Anordnung ist nicht nur hinsichtlich des Bauaufwands und Platzbe darfs aufwendig (mehrere Spulen auf einem Stator, zum Teil mit Fremderregung) , sondern auch hinsichtlich der Fertigung teuer (kompliziert geformter Rotor).

Ein aus der DE-OS 37 09 182 bekannter optoelektronischer Bewegungs detektor, der jedoch nur zur Unterscheidung von Bewegungsrichtungen, die einen Winkel von weniger als 180° einschließen, ausgelegt ist, enthält zwischen einer Lichtquelle und zwei Fotodetektoren einen Spalt und eine diesen teilweise abdeckende Blende solcher Formgebung, daß sie bei Bewegung in einer Richtung mit bezüglich dieser Bewegungsrichtung schrägen Kanten die Größe neben diesen Kanten verlaufender Spaltbereiche gleichsinnig ändert, während bei Bewegung in hierzu senkrechter Richtung sich die Größen dieser Spaltbereiche gegensinnig ändern; diese Änderungssignale werden zur Gewinnung von Bewegungsrichtungssignalen ausgewertet.

Schließlich beschreibt die DE-OS 31 13 538 eine Vorrichtung zur Erkennung der Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs auf induktivem Weg unter Verwendung von Induktionsschleifen, wobei als Kriterium zur Erkennung der Bewegungsrichtung die Beträge der Steigungen eines durch eine in Bewegungsrichtung magnetisch unsymmetrisch - beispielsweise dreiecksförmig - ausgebildete Induktionsschleife erzeugten Verstimmungssignals ausgewertet werden. Diese Druck schrift befaßt sich also einerseits mit einem Sonderfall, nämlich letztlich der Erfassung des Straßenverkehrs, und verwendet anderer seits eine ganz bestimmte Technik, nämlich Induktionsschleifen zur Erzeugung von Verstimmungssignalen, also letztlich aktive elektromagnetische Einrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die mit beispielsweise zur Drehzahler fassung üblicher passiver induktiver Sensortechnik auskommt und deren Bau- und Fertigungsaufwand gegenüber dem eingangs behandelten Stand der Technik erheblich verringert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Der Begriff "Bewegung" bezieht sich dabei auf Relativbewegungen zwischen dem Teil und dem Sensor, der demgemäß nicht notwendiger weise ortsfest zu sein braucht.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie mit einem an sich bekannten, bestens bewährten Sensor auskommt, wie er in großem Umfang beispielsweise zur Ermittlung der Drehzahl oder der Kurbelwinkellage von Brennkraftmaschinen im Einsatz ist. Die Erfindung modifiziert diesen an sich bekannten Sensor nur insoweit, als sie beispielsweise durch Schrägstellung desselben (Anspruch 2) oder durch besondere Formgebung eines Polschuhs (worunter auch der Stirnbereich eines Ankers zu verstehen ist) desselben (Anspruch 3) dafür sorgt, daß die durch die magnetischen Unsymmetrien des sich linear bewegenden oder rotierenden Teils induzierten Spannungen je nach Drehrichtung unterschiedliche Amplituden besitzen, so daß auch die anzuschließende Auswerte schaltung sehr einfach aufgebaut sein kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Verhältnisse bei Verwendung eines üblichen induktiven Sensors,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit schräg angeordnetem Sensor,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Stirnansicht bezüglich des sich bewegenden Bauteils,

Fig. 4 die bei IV-IV in Fig. 3 angedeutete Schnitt ansicht,

Fig. 5 den Verlauf der im Sensor gemäß den Fig. 3 und 4 induzierten Spannung U über der Zeit t bei Drehung des Zahnrads im Uhrzeigersinn und

Fig. 6 die entsprechende Signalform bei Drehung des Zahnrads entgegen dem Uhrzeigersinn,

Fig. 7, 9 und 10 Auswerteschaltungen sowie,

Fig. 8 und 11 Spannungsverläufe in der Schaltung nach Fig. 7 bzw. 9.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, die also den Stand der Technik bei der Verwendung eines induktiven Sensors 1 wiedergibt, so verläuft dessen Achse 2 radial bezüglich des Mittelpunkts 3 des hier das sich bewegende Teil darstellenden Zahnrads 4; die Zähne 5 desselben stellen bei Drehbewegungen des Zahnrads 4 periodisch wirksame magnetische Unsymmetrien dar. Durch Vorbeibewegen der Zähne 5 unter dem induktiven Sensor 1 werden in diesem also Spannungs impulse induziert, deren Form und Folge unabhängig von der Dreh richtung des Zahnrads 4 sind. Eine Aussage über die Drehrichtung ist demgemäß nicht möglich.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß anstelle eines Zahnrads auch ein sich linear bewegendes Teil vorhanden sein kann, das mit magnetischen Unsymmetrien bestückt ist.

Betrachtet man nun ein erstes, in Fig. 2 dargestelltes Ausführungs beispiel der Erfindung, so ist der Sensor 20 mit seiner Achse 21 in dieser Stirnansicht auf das rotierende Zahnrad 22 schräg ange ordnet, so daß seine Achse 21 den Durchstoßpunkt 23 der Achse des Zahnrads 22 nicht schneidet. Die magnetischen Unsymmetrien (Zähne) 24 besitzen in diesem Ausführungsbeispiel wiederum in Richtung der Bewegungen symmetrische Formen, jedoch erfolgt infolge der Schrägstellung der Sensorachse 21 und damit des Polschuhs 25 des induktiven Sensors 20 bei Drehbewegungen des Zahnrads 22 im Uhrzeigersinne eine allmählichere Annäherung jeder der Unsymme trien 24 an den Polschuh 25 als bei Drehbewegungen entgegen dem Uhrzeigersinne. Man kann also sagen, der Polschuh 25 besitze in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzte Bereiche, die unter schiedliche Kopplungen mit den magnetischen Unsymmetrien 24 aufweisen. Daraus resultieren unterschiedliche Amplituden der im Sensor 20 induzierten Spannungen, so daß eine nachgeschaltete Auswerteschal tung beispielsweise nach Art eines Amplitudendiskriminators eine Aussage über die jeweilige Drehrichtung liefert.

Zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ist bei 26 ein ebenfalls eine magnetische Unsymmetrie darstellender Zahn mit einer Scheitelfläche 27 angedeutet, die in Richtung der Bewegungen schräg verläuft. Die Zahnhöhe an seiner in Fig. 2 rechten Seite ist demgemäß geringer als die Zahnhöhe an seiner linken Seite. In diesem Falle kann der Sensor mit seiner Achse 21 auch in üblicher Weise so ausgerichtet sein, daß diese auf dem Radius 28 des Zahnrads 22 liegt, da jetzt die Unterschiede der im Sensor 20 induzierten Spannungsamplituden durch die Schräglage der Scheitelfläche 27 der magnetischen Unsymmetrie 26 hervorgerufen werden. Verständlicherweise sind auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung mehrere Unsymmetrien vorhanden.

Auch bei einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels fällt die Sensorachse 21 mit dem Radius 28 zusammen, jedoch schließt die Stirnfläche des Ankers bzw. der Polschuh mit der Achse 21 einen von 90° abweichenden Winkel ein, so daß sich dort wieder die bei 25 gezeigte schräge Anordnung ergibt.

In Fig. 3 liegt der induktive Sensor 30, der wiederum einen Polschuh oder eine Polplatte 31 besitzt, auf dem Radius 32 des Zahnrads 33, dessen identisch ausgebildete Unsymmetrien (Zähne) 34 bei Drehbewegungen wiederum unter dem Polschuh 31 bewegt werden. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Polschuh 31, wie aus Fig. 4 hervorgeht, in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzte Polschuhbereiche mit unterschiedlichen Abmessungen quer zur Bewe gungsrichtung. So verläuft zwar die in Fig. 4 rechte Begrenzungs kante 35 des Polschuhs senkrecht zur Ebene der Bewegung, aber die vordere Begrenzungskante 36 schräg zu dieser Richtung. Auch hieraus resultieren unterschiedliche Amplituden der induzierten Spannungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Bewegungsrichtung.

Entsprechendes gilt auch, wenn die Unsymmetrien durch Schrägver zahnung gewonnen sind. Dann wird man nur eine Polschuhkante in Draufsicht parallel zu den Zahnflanken verlaufen lassen.

Eine entsprechende Wirkung würde sich einstellen, wenn man nicht die Querschnittsformen des Polschuhs 31, sondern die entsprechenden Querschnittsformen der magnetischen Unsymmetrien 34 entsprechend unsymmetrisch wählen würde. In der Regel ist es aber vom Her stellungsaufwand sowie im Hinblick darauf, daß die Zähne 34 auch kraftübertragende Funktionen haben können, zweckmäßiger, die entsprechenden Maßnahmen am Polschuh vorzunehmen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen nun - stets als Beispiele - den Verlauf der induzierten Spannung U über der Zeit t bei Drehungen des Zahnrads 33 im Uhrzeigersinne (Fig. 5) bzw. im Gegenuhrzeiger sinne (Fig. 6). Man erkennt, daß bei Drehung im Uhrzeigersinne die Spannungsamplitude auf den Wert U₁ begrenzt ist, während bei Drehungen des Zahnrads 33 im Gegenuhrzeigersinne eine Spannungs amplitude U₂ erreicht wird, die wesentlich oberhalb der Amplitude U₁ liegt. Die Differenz zwischen diesen beiden Scheitelwerten kann meßtechnisch als Kriterium für die Anzeige der jeweils vorliegenden Drehrichtung oder allgemeiner:

Bewegungsrichtung wie folgt ausgewertet werden:
In Fig. 7 erkennt man bei 70 den induktiven Sensor, dem wiederum die hier nicht gezeichneten Zähne des sich bewegenden Teils, also beispielsweise eines Zahnrads, in periodischer Folge gegenüber stehen. Seine Ausgangssignale a, die übrigens über eine Signal leitung 71 einem Drehzahlmesser zugeführt werden können, haben bei der angenommenen Bewegungsrichtung den in Fig. 8 ebenfalls bei a angedeuteten zeitlichen Verlauf. Sie werden in der Auswerte schaltung nach Fig. 7 über den der Signalentkopplung dienenden Operationsverstärker 70′ den beiden Spitzenwertspeichern 72 und 73 für positive bzw. negative Spitzenwerte zugeführt, die so ausgebil det sind, daß ihre Ausgangssignale b und c mit einer vorgegebenen Zeitkonstante abklingen. Auch die zeitlichen Verläufe dieser Ausgangssignale sind aus Fig. 8 ersichtlich. Beide Signale b und c werden der Summierstufe 74 zugeführt, deren Ausgangssignal d in Abhängigkeit von der jeweiligen Bewegungs-bzw. Drehrichtung positiv oder negativ ist. Bei der angenommenen Bewegungsrichtung, die auch Fig. 5 zugrunde lag, ist das Summensignal d negativ; bei der entgegengesetzten Bewegungsrichtung, für die das Diagramm nach Fig. 6 gilt, ergibt sich eine positive Ausgangsspannung d. Das jeweilige Vorzeichen des Summensignals d wird in dem Kompara tor 75 bewertet bzw. ermittelt, der ein entsprechendes Bewegungs richtungssignal e an eine nachgeschaltete Anzeige oder dergleichen liefert.

Bei passiven induktiven Sensoren können sich dadurch Unsicher heiten ergeben, daß sie erst oberhalb bestimmter Bewegungsgeschwin digkeiten bzw. Drehzahlwerte brauchbare Ausgangssignale liefern. Daher kann es zweckmäßig sein, nicht nur zwischen zwei Fällen, nämlich den beiden Bewegungsrichtungen, zu unterscheiden, sondern einen dritten Fall zu berücksichtigen, in dem die Bewegungsrich tung nicht mit Sicherheit angegeben wird, da die Bewegungsgeschwin digkeit bzw. der Betrag der Drehzahl für eine sichere Signalge winnung im Sensor zu niedrig ist. Grundsätzlich kann dies im Zusammenhang zwischen den drei Fällen leicht durch Verwendung eines Rechners unterschieden werden, wenn dort auch der Betrag der Bewegungsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl ausgewertet wird. Hardewaremäßig kann die Unterscheidung durch eine Abänderung bzw. Ergänzung der in Fig. 7 dargestellten Auswerteschaltung entsprechend Fig. 9 realisiert werden:

Die Auswerteschaltung nach Fig. 9 ist bis einschließlich der Summierstufe 74 identisch mit derjenigen nach Fig. 7. Statt eines einzigen Komparators 75 sind aber jetzt zwei Komparatoren 76 und 77 vorgesehen, denen betragsgleiche Schwellwerte oder Ver gleichsspannungen +S und -S zugeführt werden, die aber unterschied liche Vorzeichen besitzen. Nur dann, wenn das Summensignal d betragsmäßig zumindest gleich dem Wert S ist, liefert - je nach dem Vorzeichen - einer der Komparatoren 76 und 77 ein Ausgangs signal e1 bzw. e2, das eine eindeutige Angabe der jeweiligen Bewegungsrichtung darstellt. Liefert dagegen keiner der Komparato ren 76 und 77 ein Ausgangssignal, ist die Bewegungs- bzw. Dreh richtung unbestimmt.

Die Auswertung der Sensorsignale kann auch digital erfolgen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird nun anhand der Fig. 10 und 11 erläutert. In Fig. 10 erkennt man bei 101 wiederum den induktiven Sensor, dessen Signale a sowohl über die Signalleitung 102 einem Drehzahlsensor als auch dem ersten Baustein der eigentlichen Auswerteschaltung, nämlich dem Schwellwertentscheider 103, zugeführt werden. Der zeitliche Verlauf der Sensorsignale a ist aus Fig. 11 ersichtlich. Dort ist also wiederum diejenige Bewegungs- bzw. Drehrichtung angenommen, die auch Fig. 5 zugrunde liegt. Für die entgegengesetzte Bewegungsrichtung würde das Diagramm nach Fig. 6 gelten. Ein Vergleich der Kurven in den Fig. 5 und 6 zeigt, daß nicht nur die Amplituden unterschiedlich sind, sondern auch die Längen der positiven und negativen Bereiche der Signale. Die Auswerteschaltung nach Fig. 10 nutzt diesen Tatbestand dadurch aus, daß sie in dem Schwellwertentscheider 103 die Signale a des Sensors 101 digitalisiert, so daß Rechtecksignale a′ entstehen. Im Tastverhältnisentscheider 104 wird festgestellt, ob das Tastver hältnis der Rechtecksignale a′ < 0,5 oder < 0,5 ist. Dies ist ein Kriterium dafür, in welcher der beiden einander entgegengesetzten Richtungen sich das betreffende Teil bewegt, also beispielsweise für die Drehrichtung des hier angenommenen Zahnrads.

Der Tastverhältnisentscheider 104 kann zwei übliche Impulszähler enthalten, von denen jeder eine der Zeiten t₁ und t₂ bestimmt; beide Zähler arbeiten auf ein Flip-Flop, das gesetzt wird, wenn am Ende von t₂ der Wert t₂ < t₁ wird, und das zurückgesetzt wird, wenn am Ende von t₁ der Wert t₁ < t₂ wird. Das Ausgangssignal e des Flip-Flops liefert dann eine Aussage über die Bewegungsrichtung.

Verständlicherweise sind auch weitere Ausführungsformen für die Auswerteschaltung möglich. Beispielsweise kann statt der erwähnten beiden Zähler ein einziger Vor-Rückwärts-Zähler Einsatz finden, der bei Beginn von t₁ auf Null gesetzt wird, während t₁ rückwärts zählt, dagegen während t₂ vorwärts zählt und dessen Zählerstand (< 0 oder < 0) am Ende von t₂ in einem Flip-Flop gespeichert wird.

Auch bei dieser digitalisierten Auswerteschaltung kann es in Analogie zu Fig. 9 zwecks Erzielung sicherer Bewegungsrichtungs informationen zweckmäßig sein, mit zwei Tastverhältnisentscheidern zu arbeiten, die beispielsweise nur dann Ausgangssignale liefern, wenn das Tastverhältnis des Rechtecksignals a′ beispielsweise < 0,6 oder < 0,4 ist.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine sehr einfach aufgebaute Vorrich tung zur Unterscheidung gegensinniger Linear- oder Drehbewegungen eines Teils geschaffen, die gegenüber üblichen Einrichtungen zur Geschwindigkeits- oder Winkelbestimmung praktisch keinen zusätzlichen Aufwand erfordert.

Claims

1. Vorrichtung zur Unterscheidung zwischen gegensinnigen Bewegungs richtungen eines periodisch magnetisch wirksame Unsymmetrien besitzenden Teiles, insbesondere der Drehrichtung eines Zahn rads, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Unsymmetrien (24) gegenüberstehender, an den Bewegungen des Teiles (22) nicht teilnehmender induktiver Sensor (20) im Bereich von in Richtung der Bewegungen versetzten Polschuhbereichen unterschiedliche magnetische Kopplungen mit den Unsymmetrien (24) besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhbereiche unterschiedliche Entfernungen von den Unsymme trien (24) haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhbereiche (31, 36) unterschiedliche Abmessungen quer zu den Bewegungsrichtungen haben.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Unsymmetrien (26) in Richtung der Bewegungen schräg zur ihnen gegenüberstehenden Stirnfläche des Sensors (20) verlaufende Scheitelflächen (27) besitzen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Unsymmetrien in Richtung der Bewegungen versetzte Querschnittsbereiche mit unterschiedlichen Abmessungen quer zur Bewegungsrichtung haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine die Amplitudendifferenz der vom Sensor (2O) erzeugten Signale erfassende Auswerteschaltung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung Spitzenwertspeicher (72, 73) mit vorgegebenen Abklingzeitkonstanten für positive und negative Spitzenwerte im Ausgangssignal (a) des Sensors (70) enthält, denen eine Summierstufe (74) und eine Vergleichsstufe (75) nachgeschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe zwei Komparatoren (76, 77) enthält, denen betragsgleiche Vergleichsspannungen (+S, -S) mit unterschied lichen Vorzeichen zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine die vom Sensor (101) erzeugten Signale (a) digitali sierende (a′) und das Tastverhältnis erfassende Auswerteschal tung (103, 104).