DE10133381A1

DE10133381A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers

Info

Publication number: DE10133381A1
Application number: DE2001133381
Authority: DE
Inventors: Andre Sell; Markus Mueller; Georg Buhl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers (1) mit einem Signalaufnehmer (3) und wenigstens einem Auslöser (4) auf einer Oberfläche (2) des Körpers (1). DOLLAR A Um auch bei Schwankungen der Drehzahl die Drehzahl selbst und die Drehrichtung einer Welle einfach, über einen großen (Temperatur-) Bereich zuverlässig und kostengünstig zu erfassen, ist erfindungsgemäß die Form des Auslösers (4) unsymmetrisch, so dass das von dem Signalaufnehmer (3) erfasste Signal je nach Bewegungsrichtung des Körpers (1) unterschiedlich ist. Dazu wird ein von dem Signalaufnehmer ausgegebenes Signal erfasst, ein Signalparameter des Signals mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert (O, U) verglichen und ein Drehrichtungssignal in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Körpers nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. von Anspruch 6.

Zur Erfassung der Stellung und Drehgeschwindigkeit von Kurbelwellen und Nockenwellen werden Sensoren verwendet (z. B. induktiv), die spezielle Markierungen erfassen. In der Regel werden dazu erhabene Zähne oder Aussparungen verwendet, die in definierten Abständen oder einem bestimmten Muster auf dem Umfang der Welle oder einem getrennten Geberrad angebracht sind. Die Zähne oder Aussparungen werden von dem induktiven Sensor durch den sich ändernden Magnetfluss erfasst. Die Zähne oder Aussparungen sind dabei so geformt, dass sie sowohl in Einlauf- als auch in Auslaufrichtung ein Spannungssignal erzeugen, dessen Polung von der positiven bzw. negativen Magnetflussänderung abhängt.

Bei Sensoren, die auf anderen physikalischen Effekten beruhen (z. B. Hallsensor) funktioniert es entsprechend.

Bewegt sich ein Zahn oder eine Aussparung an dem Sensor vorbei, ändert sich das Signal des Sensors. Dabei kann nur erkannt werden, wann sich eine Kante eines Zahns oder einer Aussparung an dem Sensor vorbeibewegt, die Drehrichtung der Welle kann jedoch nicht bestimmt werden, da am Sensor unabhängig von der Drehrichtung abwechselnd steigende und fallende Flanken erkannt werden. Unter bestimmten Umständen ist es möglich, dass der Motor seine Drehrichtung ändert. So kann z. B. ein Motor im Leerlauf bei plötzlicher Änderung der Füllung vor dem Kompressionstotpunkt eines Zylinders durch die Verdichtungsarbeit so sehr abgebremst werden, dass er stehenbleibt und die Drehrichtung umkehrt. Dieser Vorgang wird von der Motorsteuerung bei symmetrischen Zähnen nicht erkannt, da auch bei Umkehr der Drehrichtung weiterhin steigende und fallende Flanken abwechselnd auftreten.

Um die Drehrichtung dennoch erkennen zu können, werden verschieden lange Zähne oder Aussparungen verwendet oder die Zähne oder Aussparungen in einem Muster (z. B. kurz, kurz, lang) angeordnet, so dass aus der durch die Zähne ausgelösten Signalsequenz die Drehrichtung ermittelt werden kann. Der Nachteil bei der auf einer Signalsequenz beruhenden Drehrichtungserkennung besteht darin, dass mindestens zwei Zähne oder Aussparungen den Sensor passiert haben müssen, bevor eine Aussage über die Drehrichtung gemacht werden kann, was besondere Schwierigkeiten bei großen Drehzahlschwankungen zur Folge hat. Dies bedeutet, dass bei der Ermittlung der Drehrichtung aus der Abfolge von Signalen, die durch mehrere Zähne ausgelöst wurden, u. U. Motorschäden auftreten können, weil eine Drehrichtungsumkehr des Motors nicht schnell genug erkannt werden kann.

Aus DE 197 45 236 ist ein Detektor zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung bekannt, der einen Rotor, der mindestens drei Sektoren aufweist, deren magnetische Eigenschaften sich jeweils voneinander unterscheiden, und eine Schaltungsanordnung zur Feststellung des Bewegungszustands des Rotors mit einem angrenzend an den Rotor angeordneten Sensor, der einen Schwingkreis enthält, der zeitgesteuert impulsförmig erregbar ist und durch die Sektoren des Rotors unterschiedlich derart gedämpft wird, dass die Abklingdauer der bei impulsförmiger Erregung erzeugten Schwingung von den magnetischen Eigenschaften des dem Schwingkreis angenäherten Sektors abhängt, und eine Signalauswerteschaltung umfasst, die die Schwingkreissignale empfängt und auswertet.

Aus DE 100 30 487 ist ein System zur Erfassung der Stellung und Drehrichtung einer Kurbelwelle bekannt, bei dem ein mit Schlitzen versehenes Impulsgeberrad an die Kurbelwelle gekoppelt ist und ein einziger MW-Sensor mit Doppelelementen neben dem Impulsgeberrad angeordnet ist. Die Elemente erzeugen jeweils Detektionssignale, wenn ein Schlitz an den Elementen vorbeitritt, wobei die Stellung des Schlitzes zu einem Zeitpunkt als direkt unter dem Schlitz liegend angegeben wird, wenn sich die Detektionssignale schneiden. Es werden auch Rechteckwellen für jedes Detektionssignal erzeugt, und wenn die Größe der zweiten Rechteckwelle nicht Null beträgt, wenn die fallende Flanke der ersten Rechteckwelle auftritt, wird eine Drehung im Uhrzeigersinn angegeben. Wenn andererseits die Größe der zweiten Rechteckwelle Null beträgt, wenn die fallende Flanke der ersten Rechteckwelle auftritt, wird eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn angegeben.

Der Nachteil bei dem genannten Stand der Technik besteht darin, dass aufwendige elektronische Schaltungen bzw. (magnetische) Materialeigenschaften für die Erkennung der Drehzahl und -richtung erforderlich sind, die nur in einem gegebenen Temperaturbereich arbeiten und darüber hinaus störanfällig sind. Ferner sind die genannten Verfahren nicht geeignet, wenn die Drehzahlen stark schwanken.

Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei Schwankungen der Drehzahl die Drehzahl selbst und die Drehrichtung einer Welle einfach, über einen großen (Temperatur-) Bereich zuverlässig und kostengünstig zu erfassen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und der Bewegungsrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Werden die Zähne oder Aussparungen nicht symmetrisch, sondern in einer Form ausgeführt, die es ermöglicht, die beiden Kanten eines Zahns oder einer Aussparung anhand des Sensorsignals unabhängig von der Drehrichtung zu unterscheiden, lässt sich die Drehrichtung an jeder einzelnen Zahnflanke sofort bestimmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers, die einen Signalaufnehmer und wenigstens einen Auslöser auf einer Oberfläche des Körpers umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Auslösers unsymmetrisch ist, so dass das von dem Signalaufnehmer erfasste Signal je nach Bewegungsrichtung des Körpers unterschiedlich ist.

Der Signalaufnehmer kann dabei ein induktiver Signalaufnehmer sein, wobei sich die magnetische Permeabilität µA des Auslösers von der magnetischen Permeabilität des Körpers unterscheidet, oder ein optischer Signalaufnehmer sein, wobei der Auslöser eine reflektierende Oberfläche hat, oder ein kapazitiver Signalaufnehmer sein, wobei sich die Dielektrizitätskonstante εA des Auslösers von der Dielektrizitätskonstante εK des Körpers unterscheidet. Der Auslöser weist vorzugsweise eine steile Kante und eine langsam ansteigende Rampe auf. Generell kann jeder Sensor eingesetzt werden, mit dem die Kanten des unsymmetrischen Auslösers drehrichtungsabhängig unterschieden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers mit einem Signalaufnehmer und wenigstens einem Auslöser auf einer Oberfläche des Körpers, wobei die Form des Auslösers unsymmetrisch ist, umfasst die Schritte Erfassen eines von dem Signalaufnehmer ausgegebenen Signals, Vergleichen eines Signalparameters des Signals mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert und Erzeugen eines Drehrichtungssignals in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.

Vorzugsweise wird bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts ein erstes Drehrichtungssignal durch den Signalparameter erzeugt und bei Überschreiten eines zweiten Schwellenwerts durch den Signalparameter ein zweites Drehrichtungssignal erzeugt.

Insbesondere ist der Signalparameter der Absolutwert einer Ausgangsspannung des Signalaufnehmers.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre unkomplizierte Integration in bereits bestehende Systeme.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1A und 1B zeigen den Aufbau und den Signalverlauf bei Systemen nach dem Stand der Technik.
Fig. 2A und 2B zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den Signalverlauf bei einer ersten Bewegungsrichtung des Körpers.
Fig. 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den Signalverlauf bei einer zweiten Bewegungsrichtung des Körpers.
In Fig. 1A ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit eines Körpers 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Dem Körper 1 gegenüber ist ein Sensor bzw. Signalaufnehmer 3 angeordnet, der die Bewegung des Körpers 1 erfasst. Um ein Signal am Ausgang des Signalaufnehmers 3 zu erzeugen, weist der Körper 1 an seiner Oberfläche 2 einen Auslöser 4 auf. Der Auslöser 4 kann wie der Veranschaulichung halber in den Figuren dargestellt ein Vorsprung auf dem Körper 1 sein, er kann aber ebenso gut ein nicht sichtbarer, aber physikalisch anders beschaffener Bereich der Oberflächenschicht oder einer Schicht unter der Oberfläche 2 des Körpers 1 sein. Die Bewegung des Körpers 1 relativ zu dem Signalaufnehmer 3 ist durch einen Pfeil unten in Fig. 1A angedeutet. Je nach Auslöser 4 kann als Sensor 3 jeder Signalaufnehmer verwendet werden, mit dem sich die Kanten des Auslösers 4 drehrichtungsabhängig unterscheiden lassen.
In Fig. 1B ist das Signal, das durch das Vorbeistreichen des Auslösers 4 am Ausgang des Signalaufnehmers 3 erzeugt wird, gegenüber dem Abstand der sich gegenüberliegenden Stirnflächen des Signalaufnehmers 3 und des Auslösers 4 dargestellt. Da sowohl der Signalaufnehmer 3 als auch der Auslöser 4 ihre Messcharakteristik betreffend eine Rechteckform haben, ergibt sich als Abstandsfunktion eine Rechteckfolge. Diese Rechteckfolge ist oben in Fig. 1B gezeigt, das Ausgangssignal des Aufnehmer 3 ist schematisch darunter gezeigt. Wie aus Fig. 1B deutlich wird, ist aufgrund des zeitlich symmetrischen Verlaufs des Ausgangssignals eine Unterscheidung zwischen einer Bewegung des Körpers 1 nach rechts und einer Bewegung des Körpers 1 nach links nicht möglich. Das Ausgangssignal des Messwertaufnehmers 3 überschreitet abwechselnd einen oberen Schwellenwert O und einen unteren Schwellenwert U. Die Ambivalenz des Aufnehmersignals in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Körpers 1 ist durch den Doppelpfeil in Fig. 1A angedeutet.
Wie bereits erläutert, kann es jedoch wichtig sein, die Bewegungsrichtung des Körpers 1 zu kennen und einzuhalten, um Schädigungen des sich bewegenden Körpers oder mit ihm verbundener Teile aufgrund einer Bewegung in die "falsche" Richtung zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung zwischen zwei Bewegungsrichtungen des Körpers 1 in Bezug auf den feststehenden Signalaufnehmer 3 dadurch ermöglicht, dass die Form des Auslösers 4 unsymmetrisch ist, so dass das von dem Signalaufnehmer 3 erfasste Signal je nach Bewegungsrichtung des Körpers 1 unterschiedlich ist. In Fig. 2A und 3A ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung gezeigt, wobei der Auslöser 4 jeweils als Rampe dargestellt ist, während der Signalaufnehmer 3 und der Auslöser 4 in Fig. 1A als Rechteck dargestellt ist. Man beachte in Fig. 2A und in Fig. 3A, dass daher beim Annähern und Entfernen von Auslöser und Signalaufnehmer erzeugte Signal nicht symmetrisch ist, sondern eine Unterscheidung des Ausgangssignals des Signalaufnehmers 3 je nach Drehrichtung möglich ist.
Zum Vergleich wird nochmals das Ausgangssignal in Fig. 1B erläutert. Beim Rechteckzahn wird durch die linke bzw. die rechte Kante des Rechteckzahns je nach Drehrichtung ein positives bzw. negatives Signal erzeugt. Das positive Signal, das durch die rechte Kante des Rechteckzahns bei Rechtsdrehung erzeugt wird, ist identisch mit dem positiven Signal, das durch die linke Kante des Rechteckzahns bei Linksdrehung erzeugt wird. Daher wird bei einem Rechteckzahn jede Drehrichtungserkennung unmöglich gemacht.
Dagegen wird bei einem Sägezahn nur ein Signal erzeugt, und zwar durch die Kante des Sägezahns, die steil ansteigt. Durch die flache Rampe des Sägezahns wird kein Signal im Sensor erzeugt. (Genauer gesagt ist die Signalhöhe der Rampe erheblich niedriger als das von der Kante erzeugte Signal.) Da je nach Drehrichtung die das Signal erzeugende Kante des Sägezahns eine ansteigende Kante oder eine abfallende Kante ist, gibt es bei einer Drehrichtung nur positive Signale und bei der anderen Drehrichtung nur negative Signale. So kann anhand der Polarität der Signale die Drehrichtung der Welle einfach unterschieden werden. Dazu wird das Signal mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und ein Drehrichtungssignal in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis erzeugt. Vorzugsweise wird das Signal mit zwei vorgegebenen Schwellenwerten verglichen, um ein Drehrichtungssignal für beide Drehrichtungen erzeugen zu können. Überschreitet das gemessene Signal beispielsweise einen positiven, oberen Schwellenwert O, bedeutet dies, dass sich der Körper 1 in Bezug auf den Sensor 3 nach links bewegt (Fig. 3A). Überschreitet das gemessene Signal dagegen einen negativen, unterem Schwellenwert U, bedeutet dies, dass sich der Körper 1 in Bezug auf den Sensor 3 nach rechts bewegt (Fig. 2A). Dies wird im folgenden weiter erläutert.
In Fig. 2B und 3B ist oben der kürzeste Abstand zwischen dem Signalaufnehmer 3 und dem Auslöser 4 dargestellt, darunter ist der Verlauf des Ausgangssignals des Signalaufnehmers 3 gezeigt. Aufgrund der unsymmetrischen Form des Auslösers 4 ist der kürzeste Abstand zwischen ihm und dem Signalaufnehmer 3 eine Sägezahnfunktion. Dementsprechend ist das Ausgangssignal des Signalaufnehmers 3 unsymmetrisch. In Fig. 2B ist der Signalverlauf für eine Bewegung des Körpers 1 nach rechts gegenüber dem Signalaufnehmer 3 gezeigt, in Fig. 3B ist der Signalverlauf für eine Bewegung nach links gezeigt.
Wenn in Fig. 2A der Auslöser 4 von links kommend sich dem Signalaufnehmer 3 nähert, so verringert sich der Abstand zwischen beiden sehr schnell, d. h. das Ausgangssignal des Aufnehmers 3 springt unmittelbar auf einen negativen Extremwert. Der negative Extremwert ist jeweils unter einer vertikalen Linie in der oberen Darstellung in Fig. 2B dargestellt, die den geringsten Abstand zwischen Signalaufnehmer 3 und Auslöser 4 anzeigt. Durch die in Anschluss langsam abfallende Rampe 5 des Auslösers 4 wird in dem Signalaufnehmer 3 kein Signal erzeugt, zumindest kein vergleichbar hohes Signal wie durch die Kante 6.
Umgekehrt nähert sich in Fig. 3A der Auslöser 4 erst mit seiner langsam ansteigenden Rampe 5 dem Signalaufnehmer 3, und der Abstand zwischen dem Sensor und dem Auslöser verringert sich nur langsam. Durch die langsame Abstandsänderung zwischen Auslöser 4 und Signalaufnehmer 3 wird kein Signal in dem Signalaufnehmer 3 erzeugt. Erst wenn sich der Abstand zwischen Auslöser 4 und Signalaufnehmer 3 schnell ändert, wird ein Signal in dem Signalaufnehmer 3 erzeugt, dessen Absolutwert deutlich über dem Rauschen liegt. Dies ist der Fall, wenn die steile Kante 6 erreicht ist und sich der Abstand zwischen dem Auslöser 4 und dem Signalaufnehmer 3 in kurzer Zeit stark vergrößert. Dementsprechend ergibt sich ein Ausgangssignal, das am höchsten Punkt der Rampe bei der plötzlichen Vergrößerung des Abstandes zwischen beiden auf einen positiven Maximalwert steigt.
Wie in Fig. 2B und Fig. 3B zu sehen ist, lassen sich also die Signale je nach Bewegungsrichtung bzw. Drehrichtung des Körpers 1 in Bezug auf den Sensor 3 anhand ihres Vorzeichens unterscheiden. Es lässt sich bei jeder Zahnflanke sofort entscheiden, ob der Motor die Drehrichtung umgekehrt hat und z. B. keine Zündung erfolgen darf. Gezündete Rückschläge und daraus resultierende Motorschäden lassen sich so vermeiden. Die genaue Form der Auslöser 4 ist dabei unerheblich: wird der Auslöser z. B. als "Sägezahn" ausgeführt, treten je nach Drehrichtung nur steigende oder nur fallende Flanken auf. Die flache Rampe des "Sägezahns" lässt sich deutlich von den steilen Flanken unterscheiden. So hat z. B. das Signal eines induktiven Sensors im Bereich der Rampe 5 aufgrund der geringeren Flussänderung des Magnetfelds eine deutlich niedrigere Amplitude als an der steilen Kante 6.
Verschiedene Messprinzipien können angewendet werden. Der Signalaufnehmer 3 kann ein induktiver Signalaufnehmer sein. In diesem Fall unterscheiden sich die magnetische Permeabilität µA des Auslösers 4 von der magnetischen Permeabilität µK des Körpers 1. Insbesondere kann ein derartiger Auslöser 4 Teil des sich bewegenden Körpers 1 sein, so dass er sich geometrisch von diesem nicht unterscheidet und vollständig integriert ist. Dies ist von Vorteil, wo vorspringende Teile oder Aussparungen z. B. in einer Welle zu Unwuchten führen bzw. ein mechanisches Hindernis darstellen.
Analog zu einem magnetischen Signalaufnehmer 3 kann ein kapazitiver Signalaufnehmer verwendet werden, bei dem sich die Dielektrizitätskonstante εA des Auslösers 4 von der Dielektrizitätskonstante εK des Körpers 1 unterscheidet.
Ein sehr robuster Signalaufnehmer 3 ist ein optischer Signalaufnehmer, mit dem von einer als Auslöser 4 dienenden reflektierenden Oberfläche zurückgeworfenes Licht erfasst wird. Diese Art der Näherungsmessung bietet sich an, wo extreme Temperaturschwankungen und/oder Erschütterungen auftreten können.
Es versteht sich, dass die Sägezähne nicht - wie in Fig. 2B und 3B dargestellt - einander kontinuierlich folgen müssen, sondern es können größere Abstände zwischen den Zähnen eingehalten werden. Bezugszeichen 1 Körper
2 Oberfläche des Körpers
3 Signalaufnehmer, Sensor
4 Auslöser, Zahn
5 Unsymmetrie des Auslösers, langsam ansteigende Rampe
6 steile Kante
O oberer Schwellenwert
U unterer Schwellenwert

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers (1), die einen Signalaufnehmer (3) und wenigstens einen Auslöser (4) auf einer Oberfläche (2) des Körpers (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Auslösers (4) unsymmetrisch ist, so dass das von dem Signalaufnehmer (3) erfasste Signal je nach Bewegungsrichtung des Körpers (1) unterschiedlich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöser (4) eine steile Kante (6) und eine langsam ansteigende Rampe (5) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaufnehmer (3) ein induktiver Signalaufnehmer ist und sich die magnetische Permeabilität µA des Auslösers (4) von der magnetischen Permeabilität µK des Körpers (1) unterscheidet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaufnehmer (3) ein optischer Signalaufnehmer ist und der Auslöser (4) eine reflektierende Oberfläche hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaufnehmer (3) ein kapazitiver Signalaufnehmer ist und sich die Dielektrizitätskonstante εA des Auslösers (4) von der Dielektrizitätskonstante εK des Körpers (1) unterscheidet.

6. Verfahren zum Erfassen der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Körpers (1) mit einem Signalaufnehmer (3) und wenigstens einem Auslöser (4) auf einer Oberfläche (2) des Körpers (1), wobei die Form des Auslösers (4) unsymmetrisch ist, das die Schritte umfasst:
Erfassen eines von dem Signalaufnehmer ausgegebenen Signals,
Vergleichen eines Signalparameters des Signals mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert (O, U) und Erzeugen eines Drehrichtungssignals in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem bei Überschreiten eines ersten Schwellenwerts (O) durch den Signalparameter ein erstes Drehrichtungssignal erzeugt wird und bei Überschreiten eines zweiten Schwellenwerts (U) durch den Signalparameter ein zweites Drehrichtungssignal erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Signalaufnehmer (3) induktiv arbeitet und der Signalparameter der Absolutwert einer Ausgangsspannung des Signalaufnehmers (3) ist.