DE10003606B4 - Drehzahlsensor und Verfahren zur Drehzahlmessung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Drehzahlmessung an rotierenden Bauteilen, wobei ein analoges Sensorsignal in ein Rechtecksignal umgewandelt wird, wobei die Drehzahl aus einer Periodendauer des Rechtecksignals berechnet wird, wobei in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis TV des Rechtecksignals ausgewählt wird, ob zum Bestimmen der Periodendauer desselben der zeitliche Abstand von zwei aufsteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken oder zwei absteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verworfen wird, wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten unteren Wert unterschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten oberen Wert überschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV in einem mittleren Bereich liegt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlmessung an rotierenden Bauteilen, wobei ein analoges Sensorsignal in ein Rechtecksignal umgewandelt wird, wobei die Drehzahl aus einer Periodendauer des Rechtecksignals berechnet wird, wobei in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis des Rechtecksignals ausgewählt wird, ob zum Bestimmen der Periodendauer desselben der zeitliche Abstand von zwei aufsteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken oder zwei absteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Drehzahlsensor für einen Drehkörper mit einem ein analoges Sensorsignal abgebenden Sensor, mit einer Signalumwandlungseinrichtung zum Umwandeln des analogen Sensorsignals in ein Rechtecksignal und mit einer Flankenwähleinrichtung, wobei die Flankenwähleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis TV des Rechtecksignals aufsteigende oder absteigende Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken zum Bestimmen der Periodendauer tPER des Rechtecksignals auswählt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
- Bei der Drehzahlmessung mit Hilfe eines induktiven Drehzahlgebers an rotierenden Bauteilen werden z. T. die Impulse durch Löcher im sich drehenden Bauteil selbst erzeugt. Dadurch entfällt der zusätzliche Bauraum für ein Impuls- oder Geberrad. Um jedoch das Bauteil in der Tragfähigkeit nicht zu stark zu schwächen, werden die Löcher mit großen Abständen am Umfang verteilt. Ein analoges Sensorsignal wird dabei üblicherweise mittels eines Schmitt-Triggers in ein digitales Signal umgewandelt und mittels dieses digitalen Signals die Drehzahl aus einer Periodendauer des digitalen Signals berechnet. Hierzu wird an der aufsteigenden oder absteigenden Flanke des digitalen Signals als Triggerflanke aufgesetzt und die Periodendauer derart bestimmt, dass die Zeit bis zur nächsten aufsteigenden oder absteigenden Flanke gemessen wird. Bei einer Lochung des rotierenden Bauteiles mit großen Stegen im Zwischenraum wird auch das Signal am Sensor zwischen den Impulsen eine Tastlücke mit nahezu horizontalem Spannungsverlauf haben. Sofern die gewählte Triggerflanke in diesem Bereich liegt, kommt es bei schwankendem Spannungsverlauf zu einem ”Phasejitter”, wobei derartige Signalzustände für eine Drehzahlbestimmung ungeeignet sind.
- Aus der
DE 38 24 713 A1 ist daher bereits ein Drehzahlsensor bekannt, bei dem bei niedriger Drehzahl für jede Impulsüberwachungsperiode unter Berücksichtigung der relativen Phasenlage der Impulse gegenüber der Impulsüberwachungsperiode entweder die ansteigende oder die abfallende Flanke als Triggerflanken gewählt werden. Hierbei wird diejenige Flanke des Sensorsignals als Triggerflanke gewählt, welche in der Impulsüberwachungsperiode als erste auftritt. Es wird also eine Phasenlage zwischen dem Sensorsignal und der Impulsüberwachungsperiode berücksichtigt, wobei die Impulsüberwachungsperiode ein Zeitraum ist, in dem das Sensorsignal abgetastet wird. Bei hohen Drehzahlen wird eine fest vorbestimmte Flankenart genutzt. Je nach Drahtwickelrichtung der Abnehmerspule des Drehzahlsensors wird entweder die ansteigende oder abfallende Flanke für hohe Drehzahlen fest vorbestimmt, unabhängig von der Impulsüberwachungsperiode. - Hierbei ist jedoch insbesondere für den Betriebszustand bei hohen Drehzahlen die Polung des Sensors konsequent einzuhalten. Um bei einem derartigen System die Polarität des Sensors bei festgelegter Triggerflanke sicherzustellen, müssen folgende Bedingungen erfüllt werden:
- 1. Feste Zuordnung der Verkabelung vom Sensor zum Steuergerät.
- 2. Gleichbleibende Windungsrichtung aller Sensoren.
- 3. Festgelegte Lage des Magneten im induktiven Drehzahlsensor.
- Diese Forderungen lassen sich insbesondere bei einem Einsatz in Großserie nur mit entsprechenden Mehrkosten realisieren.
- Aus der gattungsgemäßen
DE 199 10 177 A1 ist eine Erkennung der Drehrichtung bzw. der Drehzahl bewegter Teile bekannt. Hierbei ist ein Geberrad mit einer Vielzahl von periodisch nebeneinander angeordneten asymmetrischen Gruppen von Markierungen vorgesehen, deren Vorbeilaufen an einem Impulsgenerator digitale Spannungssignale erzeugt. Diese werden in einer elektronischen Auswerteschaltung durch geeignete Auswertealgorithmen insbesondere über Zeitbezüge und Flankenverläufe analysiert. Eine Drehrichtungserkennung erfolgt auf Basis der Zeitanteile für Impulse und Pausen zweier aufeinander folgender Periodendauern. In Abhängigkeit von der Drehrichtung muss wegen der asymmetrischen Gruppierung der Markierungen entweder die negative oder positive Signalflanke zur Drehzahlbestimmung ausgewertet werden. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Drehzahlsensor der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und bei reduziertem Herstellungsaufwand für den Drehzahlsensor unabhängig von einer Hardwareausgestaltung des Drehzahlsensors immer optimal eine Triggerflanke ausgewählt wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch einen Drehzahlsensor der o. g. Art mit den in Anspruch 11 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verworfen wird, wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten unteren Wert unterschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten oberen Wert überschreitet oder wenn das Tastverhältnis in einem mittleren Bereich liegt.
- Dies hat den Vorteil, dass unabhängig von einer Verdrahtung bzw. Polung des Sensors eine stabile Drehzahlberechnung ohne die Gefahr von ”Phasejitter” erzielt wird.
- Als Tastverhältnis TV wird in vorteilhafter Weise ein Verhältnis zwischen einer Zeitdauer tON eines Zustandes ”high” oder ”low” des Rechtecksignals zu der Periodendauer tPER gemäß verwendet. Hierbei wird das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verworfen, wenn das Tastverhältnis TV ≤ 10% ist oder wenn das Tastverhältnis TV ≥ 90% ist oder wenn das Tastverhältnis 40% ≤ TV ≤ 60% ist. Ferner werden zur Periodenbestimmung zwei aufsteigende Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet, wenn das Tastverhältnis TV in einem oberen Bereich liegt, insbesondere wenn 60% < TV < 90% ist, oder es werden zur Periodenbestimmung zwei absteigende Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet, wenn das Tastverhältnis TV in einem unteren Bereich liegt, insbesondere wenn 10% < TV < 40% ist.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Klassierung des Tastverhältnisses TV in oberen Bereich, unteren Bereich, mittleren Bereich und/oder oberen bzw. unteren Wert in einem Testbetrieb bestimmt, der beispielsweise in definierten Drehzahlbereichen und/oder bei bestimmten Lastzuständen durchgeführt wird.
- Zweckmäßigerweise wird der Testbetrieb nur einmal für ein bestimmtes Serienprodukt durchgeführt und in einer Serienproduktion dieses Serienproduktes die im Testbetrieb ermittelte Klassierung des Tastverhältnisses TV in einem Steuergerät einer Drehzahlerfassungseinrichtung abgespeichert.
- Das analoge Sensorsignal wird beispielsweise in ein Rechtecksignal in Form eines digitalen Sensorsignals umgewandelt. Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wechsel der Triggerflanke von ansteigender zu abfallender Flanke des Rechtecksignals oder umgekehrt durchgeführt wird.
- Ferner ist es bei einem Drehzahlsensor der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Flankenwähleinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten unteren Wert unterschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten oberen Wert überschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV in einem mittleren Bereich liegt.
- Dies hat den Vorteil, dass unabhängig von einer Verdrahtung bzw. Polung des Sensors eine stabile Drehzahlberechnung ohne die Gefahr von ”Phasejitter” erzielt wird. Hierdurch steht ein mechanisch und elektrisch vereinfachter Drehzahlsensor mit verbesserter und zuverlässiger Meßgenauigkeit zur Verfügung.
- Das Tastverhältnis TV ist dabei in vorteilhafter Weise ein Verhältnis zwischen einer Zeitdauer tON eines Zustandes ”high” oder ”low” des Rechtecksignals zu der Periodendauer tPER gemäß wobei die Flankenwähleinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis TV ≤ 10% ist oder wenn das Tastverhältnis TV ≥ 90% ist oder wenn das Tastverhältnis 40% ≤ TV ≤ 60% ist. Hierbei ist die Flankenwähleinrichtung ferner derart ausgebildet ist, dass diese zur Periodenbestimmung als Triggerflanken aufsteigende Flanken des Rechtecksignals wählt, wenn das Tastverhältnis TV in einem oberen Bereich liegt, insbesondere wenn 60% < TV < 90% ist, oder dass diese zur Periodenbestimmung als Triggerflanken absteigende Flanken des Rechtecksignals wählt, wenn das Tastverhältnis TV in einem unteren Bereich liegt, insbesondere wenn 10% < TV < 40% ist.
- Das Rechtecksignal ist beispielsweise ein digitales Sensorsignal. In besonders vorteilhafter Weise ist die Flankenwähleinrichtung derart ausgebildet, dass diese den Wechsel der Triggerflanke von ansteigender zu abfallender Flanke des Rechtecksignals oder umgekehrt durchführt.
- Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
-
1 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehzahlsensors und -
2 eine graphische Darstellung eines Sensorsignals und eines Rechtecksignals in einem Drehzahlsensor gemäß1 . - Die in
1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehzahlsensors umfaßt ein sich drehendes Bauteil10 mit einer Vielzahl von an seinem Umfang angeordneten Zähnen12 , einen Sensor14 mit einer Abnehmerspule16 , einen Signalumformer18 , eine Flankenwähleinrichtung20 und eine Drehzahlberechnungseinrichtung22 . Die Zähne12 bestehen aus magnetischem Material, so dass die Abnehmerspule16 entsprechend dem Vorbeilaufen der Vielzahl von Zähnen12 ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses analoge Sensorsignal ist in2 über eine Zeitachse25 dargestellt und mit24 bezeichnet. - Das von der Abnehmerspule
16 abgegebene elektrische Signal24 wird durch den Signalumformer18 zu Impulsen in Form eines Rechtecksignals umgewandelt. Der Signalumformer ist beispielsweise ein Schmitt-Trigger-Schaltkreis mit Hysterese, der ein digitales Signal erzeugt. Dieses digitale oder Rechtecksignal ist in2 dargestellt und mit26 bezeichnet. - Zur Drehzahlberechnung wird zunächst aus dem Sensorsignal
24 mit Hilfe des Signalumformers18 das digitale Signal26 erzeugt. Von diesem digitalen Signal26 wird die Periodendauer tPER28 beispielsweise von steigender zu steigender Flanke oder von fallender zu fallender Flanke gemessen. Je nach Ausbildung und Abstand der Zähne12 , welche alternativ auch als Lochung im Bauteil10 ausgeführt sein können, kommt es im Zeitraum zwischen den Impulsen am Sensor14 zu einer Tastlücke mit nahezu horizontalem Spannungsverlauf, wie beispielsweise in den Bereichen30 des analogen Sensorsignals24 . Triggerflanken, die in diesem Bereich30 liegen, wie beispielsweise bei32 , zeigen bei schwankendem Spannungsverlauf ein ”Phasejitter” und sind daher für eine stabile. Drehzahlberechnung ungeeignet. - Erfindungsgemäß wird die ”richtige” Triggerflanke von der Flankenwähleinrichtung
20 zur Periodenbestimmung gewählt, d. h. es wird eine Flanke des digitale Signals26 gewählt, welche nicht innerhalb oder nahe der Tastlücke30 liegt. Hierzu wird die Asymmetrie des analogen Sensorsignals24 und das sich dadurch ergebende variable Tastverhältnis TV des digitalen Signals26 verwendet. Das Tastverhältnis TV ist dabei das Verhältnis einer Zeitdauer tON34 eines Zustandes ”high” oder ”low” des digitalen Signals zur Periodendauer tPER28 gemäß Dieses Tastverhältnis TV wird beispielsweise zur Auswahl einer Flanke des digitalen Signals26 als Triggerflanke in Bereiche für ”ungültig”, ”steigende Flanke als Triggerflanke wählen” und ”fallende Flanke als Triggerflanke wählen” klassiert. Hierbei sind diese Zuordnungen für die Triggerflanke beispielhaft folgendermaßen verschiedenen Bereichen des Tastverhältnisses TV zugeordnet:
ungültig: TV ≥ 90% oder TV ≤ 10% oder
40% ≤ TV ≤ 60%
steigende Flanke als Triggerflanke wählen: 60% < TV < 90%
fallende Flanke als Triggerflanke wählen: 10% < TV < 40% - Das Ergebnis dieser Klassierung wird nach mehreren erfolgreichen Bewertungen dauerhaft in einem Steuergerät des Drehzahlsensors abgespeichert und im Betrieb beispielsweise bei allen Drehzahlen die Triggerflanke entsprechend gewählt. Diese Klassierung wird beispielsweise einmalig in einem Testbetrieb vor Aufnahme der Serienproduktion für ein bestimmtes Serienprodukt bei verschiedenen Drehzahlen und Lastzuständen ermittelt, so dass in der Serienproduktion sofort und ohne weitere Testphasen die ermittelte Klassierung für verschiedene Lastzustände bzw. Drehzahlen in einem Steuergerät für eine Drehzahlerfassungseinrichtung gespeichert werden kann.
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- drehendes Bauteil
- 12
- Zähne
- 14
- Sensor
- 16
- Abnehmerspule
- 18
- Signalumformer
- 20
- Flankenwähleinrichtung
- 22
- Drehzahlberechnungseinrichtung
- 24
- Sensorsignal
- 25
- Zeitachse
- 26
- digitale oder Rechtecksignal
- 28
- Periodendauer tPER
- 30
- Tastlücke
- 32
- Triggerflanke im Bereich einer Tastlücke
- 34
- Zeitdauer tON
34 eines Zustandes ”high” oder ”low” des digitalen Signals
Claims (19)
- Verfahren zur Drehzahlmessung an rotierenden Bauteilen, wobei ein analoges Sensorsignal in ein Rechtecksignal umgewandelt wird, wobei die Drehzahl aus einer Periodendauer des Rechtecksignals berechnet wird, wobei in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis TV des Rechtecksignals ausgewählt wird, ob zum Bestimmen der Periodendauer desselben der zeitliche Abstand von zwei aufsteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken oder zwei absteigenden Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verworfen wird, wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten unteren Wert unterschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten oberen Wert überschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV in einem mittleren Bereich liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verworfen wird, wenn das Tastverhältnis TV ≤ 10% ist oder wenn das Tastverhältnis TV ≥ 90% ist oder wenn das Tastverhältnis 40% ≤ TV ≤ 60% ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Periodenbestimmung zwei aufsteigende Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet werden, wenn das Tastverhältnis TV in einem oberen Bereich liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Periodenbestimmung zwei absteigende Flanken des Rechtecksignals als Triggerflanken verwendet werden, wenn das Tastverhältnis TV in einem unteren Bereich liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klassierung des Tastverhältnisses TV in oberen Bereich, unteren Bereich, mittleren Bereich und/oder oberen, unteren Wert in einem Testbetrieb bestimmt wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbetrieb in definierten Drehzahlbereichen und/oder bei bestimmten Lastzuständen durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbetrieb wenigsten einmal für ein bestimmtes Produkt durchgeführt wird und in einer Serienproduktion dieses Produktes die im Testbetrieb ermittelte Klassierung des Tastverhältnisses TV in einem Steuergerät einer Drehzahlerfassungseinrichtung abgespeichert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Sensorsignal in ein Rechtecksignal in Form eines digitalen Sensorsignals umgewandelt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel der Triggerflanke von ansteigender zu abfallender Flanke des Rechtecksignals oder umgekehrt durchgeführt wird.
- Drehzahlsensor für einen Drehkörper (
10 ) mit einem ein analoges Sensorsignal (24 ) abgebenden Sensor (14 ), mit einer Signalumwandlungseinrichtung (18 ) zum Umwandeln des analogen Sensorsignals (24 ) in ein Rechtecksignal (26 ) und mit einer Flankenwähleinrichtung (20 ), wobei die Flankenwähleinrichtung (20 ) derart ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis TV des Rechtecksignals (26 ) aufsteigende oder absteigende Flanken des Rechtecksignals (26 ) als Triggerflanken zum Bestimmen der Periodendauer tPER (28 ) des Rechtecksignals (26 ) auswählt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (20 ) derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal (24 ) als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten unteren Wert unterschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV einen vorbestimmten oberen Wert überschreitet oder wenn das Tastverhältnis TV in einem mittleren Bereich liegt. - Drehzahlsensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal (24 ) als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis TV ≤ 10% ist. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal (24 ) als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis TV ≥ 90% ist. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, dass diese das Sensorsignal (24 ) als für die Ermittlung der Triggerflanke ungültig verwirft, wenn das Tastverhältnis 40% ≤ TV ≤ 60% ist. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, dass diese zur Periodenbestimmung als Triggerflanken aufsteigende Flanken des Rechtecksignals (26 ) wählt, wenn das Tastverhältnis TV in einem oberen Bereich liegt. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, dass diese zur Periodenbestimmung als Triggerflanken absteigende Flanken des Rechtecksignals (26 ) wählt, wenn das Tastverhältnis TV in einem unteren Bereich liegt. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechtecksignal (
26 ) ein digitales Sensorsignal ist. - Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenwähleinrichtung (
20 ) derart ausgebildet ist, das diese den Wechsel der Triggerflanke von ansteigender zu abfallender Flanke des Rechtecksignals (26 ) oder umgekehrt durchführt.
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