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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahlsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Drehzahlinformationsübertragung.
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Drehzahlsensorsignale werden im Automobil im Stand der Technik überwiegend drahtgebunden übertragen. Die Drahtverbindung ist geeignet, dem Sensor Energie zuzuführen und die Signalübertragung zu einer Verarbeitungs- bzw. Auswerteeinheit zu gewährleisten. Die Drahtverbindung ist jedoch materiell aufwändig und nicht in jedem Fall problemlos zu realisieren, insbesondere nicht in schwer zugänglichen Bereichen. Insbesondere gibt es Einsatzorte für Sensoren, in denen eine solche Drahtverbindung stark stör-, verschleißanfällig oder nicht möglich ist, z. B. aufgrund hoher Beanspruchung der Anordnung durch Vibration oder Temperatur. Hier sind robustere Lösungen vorzuziehen. Die Druckschrift
DE 103 26 676 A1 zeigt eine Steuerungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeuggetriebe, bei welcher ein Induktivgeber Wechselspannungssignale erzeugt, die drahtlos übertragen werden. Die vom Induktivgeber erzeugten Wechselspannungssignale werden gleichgerichtet und zur Energieversorgung genutzt. Ein Funkmodul mit einem Mikrocontroller und einem elektronischen Modul überträgt die verarbeiteten und aufbereiteten Signale frequenz- oder amplitudenmoduliert über eine Antenne zum Empfänger.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug derart weiterzubilden, dass eine Messinformation, insbesondere bei autarker Energieversorgung der Drehzahlsensoranordnung, einfach und ohne großen Aufwand mit nur wenigen Bauteilen per Funkübertragung an einen Empfänger ausgegeben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie bezüglich des Verfahrens durch Anspruch 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Drehzahlsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug zur Funkübertragung einer Messinformation an einen Empfänger vorgeschlagen. Die Drehzahlsensoranordnung enthält einen Drehzahlsensor, welcher die Messinformation in Form eines Spannungssignals bereitstellt. Das Spannungssignal ist vorteilhafterweise ein sinusförmiges Spannungssignal, andere Signalformen, wie zum Beispiel ein rechteckförmiger Spannungsverlauf sind jedoch möglich. Das Spannungssignal ist insbesondere ein Wechselspannungssignal. Die Drehzahlsensoranordnung enthält eine Gleichrichtereinheit zur Erzeugung einer Gleichspannung aus dem vom Drehzahlsensor gelieferten Spannungssignal. Diese Gleichspannung wird zur Energieversorgung eines Oszillators bzw. einer Oszillatoreinheit und zur Erzeugung eines Funksignals genutzt. Die Drehzahlsensoranordnung weist dabei eine zwischen einer Antenne und der Gleichrichtereinheit angeordnete Oszillatoreinheit auf, welche ein Hochfrequenzsignal aus der Gleichspannung erzeugt, und welche zur Veränderung des Hochfrequenzsignals korrespondierend mit dem Spannungssignal ausgebildet ist. Vorteilhaft kann das Hochfrequenzsignal durch Triggerung der Oszillatoreinheit mit dem Spannungssignal verändert werden, bzw. moduliert werden. Hierzu kann ein Triggereingang an der Oszillatoreinheit ausgebildet sein. Die Antenne ist an der Oszillatoreinheit angeordnet, um ein derart durch die Oszillatoreinheit verändertes bzw. moduliertes Hochfrequenzsignal als Funksignal auszugeben. Durch die Beschränkung auf wenige Elemente und durch die Ausgabe der Messinformation über Funk kann eine platzsparende und mit wenig Aufwand realisierbare Anordnung erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Drehzahlsensor von einer Energieversorgung unabhängig. Dies kann realisiert werden, indem induktiv arbeitende Aufnehmer verwendet werden, wobei der Drehzahlsensor z. B. ein Induktivgeber ist, welcher als Spannungssignal eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt. Dabei kann der Drehzahlsensor mit einem Geberrad zusammenwirken, insbesondere einem ferromagnetischen Geberrad. Die Drehzahlsensoranordnung weist erfindungsgemäß z. B. eine Spule auf, mittels welcher das Spannungssignal induktiv bei Bewegung des Geberrads erzeugt wird. Es ist denkbar, alternativ oder zusätzlich Mittel zur Energieversorgung vorzusehen, z. B. den Einsatz aufladbarer Batterien (Akkus) oder von Kondensatoren, insbesondere um bei Stillstand oder sehr niedrigen Drehzahlen eine Energieversorgung der Anordnung zu gewährleisten.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Oszillatoreinheit als Van der Pol'scher Oszillator ausgebildet. Die Oszillatoreinheit weist dabei insbesondere eine Tunnel-Diode oder eine Gunn-Diode auf. Die Oszillatoreinheit kann alternativ oder zusätzlich andere bekannte schwingungsfähige Oszillatoren verwenden. Vorteilhafterweise weist die Oszillatoreinheit einen Triggereingang auf, an welchem das Spannungssignal, i. e. das Messsignal, anliegt. Eine Triggerung kann mittels des an diesem Eingang anliegenden Signals auf einfache Weise durchgeführt werden. Triggert die Oszillatoreinheit z. B. das Spannungssignal, kann das erzeugte Hochfrequenzsignal korrespondierend verändert bzw. moduliert werden. Infolge einer Triggerung des Spannungssignals weist das Hochfrequenzsignal insbesondere einen pulsförmigen Verlauf auf, vorliegend also eine Folge von Impulsen. Die Impulse können zur Auswertung zum Beispiel gezählt und eine Drehzahlinformation auf einfache Weise erhalten werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur – insbesondere drahtlosen – Drehzahlinformationsübertragung in einem Kraftfahrzeug erzeugt ein Drehzahlsensor eine Messinformation und gibt diese als Spannungssignal aus, wobei eine Gleichrichtereinheit das generierte Spannungssignal in eine Gleichspannung gleichrichtet. In einem ersten Schritt werden das generierte Spannungssignal und die Gleichspannung einer Oszillatoreinheit zugeführt, welche in einem zweiten Schritt aus der Gleichspannung ein Hochfrequenzsignal erzeugt und in einem dritten Schritt das Hochfrequenzsignal korrespondierend mit dem Spannungssignal verändert, wobei das in der Oszillatoreinheit derart veränderte Hochfrequenzsignal in einem vierten Schritt an eine an der Oszillatoreinheit angeordnete Antenne zur Funkübertragung an z. B. einen Empfänger ausgegeben wird. Dadurch kann die Gestaltung der Signalgewinnung, der Signalaufbereitung und der Ausgabe mit geringem Aufwand realisiert werden. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft anwendbar zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Drehzahlsensoranordnung.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Spannungssignal einem Triggereingang der Oszillatoreinheit zugeführt. In der Oszillatoreinheit wird das Hochfrequenzsignal vorteilhaft durch Triggerung des Spannungssignals in dem dritten Schritt auf einfache Weise verändert.
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Um von einer Energieversorgung unabhängig zu sein, bezieht der Drehzahlsensor seine Energie aus dem Messeffekt, wobei auch eine alternative Energieversorgung denkbar ist.
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Die erfindungsgemäße Drehzahlsensoranordnung sowie das Verfahren werden vorteilhaft zur Drehzahlmessung und Drehzahlinformationsübertragung in einem Kraftfahrzeug verwendet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch eine Drehzahlsensoranordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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2(a) bis (d) je exemplarisch in der Drehzahlsensoranordnung auftretende Signale im Zeitbereich gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
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3(a) bis (e) je exemplarisch in der Drehzahlsensoranordnung auftretende Signale im Frequenzbereich gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt eine Drehzahlsensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Eine solche kann z. B. zur Drehzahlmessung im Getriebe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, wobei andere Einsatzorte im Kraftfahrzeug denkbar sind. Die Drehzahlsensoranordnung 1 weist einen Drehzahlsensor 2 auf. Der Drehzahlsensor 2 ist zum Beispiel eine Magnet-Spulen-Einheit, z. B. ein passiver, induktiver Drehzahlsensor, bei welchem z. B. eine Spule um einen magnetisch vorgespannten Kern angeordnet ist, z. B. ein bekannter VR-Sensor (Sensor mit variabler Reluktanz). Der Drehzahlsensor 2 ist vorzugsweise benachbart zu einem beweglich angeordneten, ferromagnetischen Geberrad 3 angeordnet, welches bei Bewegung in z. B. Pfeilrichtung eine Spannung in dem Drehzahlsensor 2 induziert. Dabei erzeugt z. B. jede Flanke (nicht dargestellt) des Geberrades 3 auf bekannte Weise eine elektrische Spannung, i. e. ein Spannungssignal 4 (s. a. 2). Der Verlauf des Spannungssignals 4 ist, insbesondere bei gleich bleibendem Flankenabstand, im Wesentlichen sinusförmig.
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Durch eine Bewegung des Geberrads 3, welches auf z. B. einer Welle montiert ist, deren Drehzahl durch die Drehzahlsensoranordnung 1 als Drehzahlinformation ermittelt werden soll, wird der Drehzahlsensor 2 mit Energie versorgt, vorliegend infolge der induzierten Spannung, so dass keine eigene Energieversorgung des Drehzahlsensors 2 benötigt wird, um ein Spannungssignal 4 als Ausgangssignal zu liefern. Der Drehzahlsensor 2 bezieht die Energie aus dem Messeffekt selber. Das Spannungssignal 4 enthält auch die auszugebende Messinformation, welche eine Aussage über die momentane Drehzahl ermöglicht. Die Frequenz des sinusförmigen Spannungssignals 4 (s. a. 2a) ist zum Beispiel proportional zur Drehzahl. Das Spannungssignal 4 ist insofern ein Messsignal. Im Rahmen der Erfindung können alternativ auch andere bekannte Drehzahlsensoren 2 eingesetzt werden, z. B. mit einer externen Energieversorgung wie jene Sensoren, die eine Vor-Ort-Verstärkung benötigen.
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Das vom Drehzahlsensor 2 erzeugte Spannungssignal 4 wird erfindungsgemäß an eine Gleichrichtereinheit 5 ausgegeben, welche zum Beispiel in Form einer Elektronik, z. B. auf einfache Weise als Brückengleichrichter mit Glättungskondensator, ausgeführt ist, und die vom Drehzahlsensor 2 ausgegebene Wechselspannung bzw. das Spannungssignal 4 gleichrichtet (DC), gegebenenfalls z. B. auch stabilisiert. Die Gleichrichtereinheit 5 ist vorzugsweise räumlich benachbart zu dem Drehzahlsensor 2 angeordnet, z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Die Gleichrichtereinheit 5 erzeugt ein Gleichspannungssignal 6 (s. a. 2b), welches einem Eingang 7 einer nachgeordneten Oszillatoreinheit 8 zugeführt wird.
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Die Oszillatoreinheit 8 weist einen schwingungsfähigen Oszillator auf und ist zum Beispiel als Van der Pol'scher Oszillator ausgebildet, z. B. mit einer Gunn- oder einer Tunneldiode sowie einem Schwingkreis. Die Oszillatoreinheit 8 wird mit der von der Gleichrichtereinheit 5 erzeugten Gleichspannung 6 gespeist und erzeugt darauf basierend auf bekannte Weise ein Hochfrequenzsignal 9 (HF-Signal; 2c). Das erzeugte Hochfrequenzsignal 9 wird erfindungsgemäß als Trägersignal für die kabellos per Funk auszugebende Messinformation genutzt, wobei bei der relativ zum niederfrequenten Spannungssignal 4 höheren Frequenz des Hochfrequenzsignals 9 vorteilhafterweise mehr Übertragungsbandbreite zur Verfügung steht und z. B. kleinere Antennen genutzt werden können. Die Oszillatoreinheit 8 ist z. B. räumlich eng benachbart zu dem Drehzahlsensor 2 angeordnet, z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse. Es ist denkbar, dass die Oszillatoreinheit 8 weitere Beschaltungselemente zur Sicherstellung ihrer ordnungsgemäßen, vorgesehenen Funktionalität aufweist.
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Die Oszillatoreinheit 8 weist ferner zum Beispiel einen Triggereingang 10 zum Zwecke einer Triggerung auf, welchem das niederfrequente (NF) Spannungssignal 4 zugeführt wird. Getriggert werden z. B. definierte Spannungspegel des Spannungssignals 4 als Schaltschwellen bzw. Ereignisse, bei deren Unterschreiten bzw. Überschreiten kein (ausgetastet) bzw. ein (eingetastet) verändertes Hochfrequenzsignal 11 als Ausgangssignal von der Oszillatoreinheit 8 ausgegeben wird. infolge der Triggerung auf definierte Spannungspegel (Schaltschwellen) des Spannungssignals 4 wird das Hochfrequenzsignal 9 somit korrespondierend zu z. B. vorab definierten bzw. eingestellten Spannungspegeln des Spannungssignals 4 durch die Oszillatoreinheit 8 ausgetastet bzw. eingetastet, zum Beispiel für jeweils negative Halbwellen des sinusförmigen Signalverlaufs des Spannungssignals 4 ausgetastet (i. e. kein HF-Signal). Durch die Triggerung wird folglich aus dem HF-Signal 9 ein verändertes HF-Signal 11 erzeugt. Dieses weist einen mit der Triggerung korrespondierenden Pulsverlauf 12 auf (2d), also eine Folge von Impulsen 13 (Impuls ist zu verstehen als z. B. zeitlich begrenzter stoßartiger Spannungsverlauf). Das Hochfrequenzsignal 9 wird insofern durch das Spannungssignal 4 verändert bzw. moduliert. Das Trägersignal wird mit anderen Worten zum Beispiel durch Überlagerung von Signalinformation aus der Magnet-Spulen-Einheit moduliert.
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Im durch das Spannungssignal 4 veränderten Hochfrequenzsignal 11 korrespondieren nunmehr jeweils Impulse 13 zum Beispiel mit einer positiven Halbwelle des sinusförmigen Spannungssignals oder allgemein z. B. mit jeweils Signalabschnitten des Spannungssignals 4, welche zwischen je zwei Triggerereignissen (Unterschreiten/Überschreiten von Schaltschwellen durch Spannungspegel des Spannungssignals 4) liegen. Ein mit einem solchen Signalabschnitt korrespondierender Impuls 13 erstreckt sich über die zeitliche Dauer des Signalabschnitts des Spannungssignals 4 und schwingt mit der Frequenz des Hochfrequenzsignals 9. Ändert sich nunmehr die Drehzahl des Geberrades 3 ändert sich einhergehend die Frequenz des Spannungssignals 4 und folglich die Dauer des jeweiligen aus- bzw. einzutastenden Signalabschnitts im HF-Signal 9 und letztlich die Länge des jeweiligen korrespondierenden Impulses 13 im veränderten HF-Signal 11. Durch (empfängerseitige) Zählung der Impulse 13 innerhalb eines Zeitintervalls und Division durch die bekannterweise innerhalb einer Geberradumdrehung zu erwartende Anzahl an Impulsen (korrespondierend mit den z. B. Flanken bzw. Zähnen des Geberrads) kann somit aus dem veränderten HF-Signal 11 beispielsweise eine Aussage über die Drehgeschwindigkeit als Messinformation erhalten werden.
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Das veränderte Hochfrequenzsignal 11 wird von der Oszillatoreinheit 8 an eine daran angeordnete Antenne 14 ausgegeben. Die Antenne ist zum Beispiel über eine Speiseleitung und Masse an die Oszillatoreinheit 8 angeschlossen und zum Beispiel in Form eines Gehäuses ausgebildet oder in ein Gehäuse integriert. Sie kann als Hohlleiter ausgebildet oder auf andere Weise gebildet sein. Die Antenne 14 strahlt das von der Oszillatoreinheit 8 abgegebene veränderte HF-Signal 11 zum Empfang durch einen geeigneten Empfänger ab, welcher auf z. B. oben erläuterte Weise die Messinformation aus dem veränderten HF-Signal 11 bzw. dem Trägersignal gewinnt. Zwischen Antenne und Empfängerantenne wird insofern eine Funkstrecke gebildet.
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Erfindungsgemäß ist die Oszillatoreinheit 8 zwischen Gleichrichtereinheit 5 und Antenne 14 angeordnet, d. h. z. B. mittels Leitungsverbindungen jeweils direkt an diese angeschlossen. Es ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen, neben den geschilderten Einheiten Drehzahlsensor 2, Gleichrichtereinheit 5, Oszillatoreinheit 8 und Antenne 14 weitere Baugruppen bzw. Bauelemente z. B. zur Signalaufbereitung zu verwenden. Durch Beschränkung auf die geschilderten Baugruppen kann die Erfindung bzw. die Drehzahlmessung mit geringem Aufwand realisiert werden.
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3(a) bis (e) zeigen im Frequenzbereich exemplarisch die Signale, welche in der Drehzahlsensoranordnung 1 auftreten. Das sinusförmige Spannungssignal 4 weist bei einer momentanen konstanten Drehzahl eine zuordenbare Frequenz 15 auf (a). Daraus wird die Gleichspannung 6 (DC) mit Frequenz 16 gleich Null erzeugt (b). Eine etwaige Ripplebildung kann durch Glättung vermieden werden. Je nach Variation der Drehzahl des Geberrads 3 (Verzögerung/Beschleunigung) ergeben sich unterschiedliche (niederfrequente) Frequenzen 17a, b, c, ... des Spannungssignals 4, bei welchen getriggert wird (c). Aus dem Gleichspannungssignal 6 wird mittels der Oszillatoreinheit 8 ein Hochfrequenzsignal 9, insbesondere konstanter Frequenz 18, erzeugt (d). Dieses wird infolge der Triggerung durch das Spannungssignal 4 verändert (e), weist also neben der Trägerfrequenz 18 die Frequenz 15 des Spannungssignals 4 im zugehörigen Frequenzabstand auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahlsensoranordnung
- 2
- Drehzahlsensor
- 3
- Geberrad
- 4
- Spannungssignal
- 5
- Gleichrichtereinheit
- 6
- Gleichspannungssignal
- 7
- Eingang Oszillatoreinheit
- 8
- Oszillatoreinheit
- 9
- Hochfrequenzsignal
- 10
- Triggereingang
- 11
- Verändertes Hochfrequenzsignal
- 12
- Pulsverlauf des veränderten HF-Signals
- 13
- Impulse
- 14
- Antenne
- 15
- Frequenz Spannungssignal
- 16
- Frequenz Gleichspannungssignal
- 17a, b, c
- Frequenz Spannungssignal bei verschiedenen Drehzahlen
- 18
- Frequenz Hochfrequenzsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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