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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von durch Toleranzen eines auf einer Welle angeordneten Geberrades verursachten Fehlern bei einer Drehzahlermittlung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 197 33 958 A1 beschrieben, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades bekannt. Das Geberrad weist eine Anzahl von Markierungen auf, deren Abstände näherungsweise gleich sind und die von einem Aufnehmer abgetastet werden. Der Aufnehmer liefert eine Pulsfolge, ausgehend von der Messwerte gebildet werden, wobei ausgehend von einem Vergleich der einzelnen Messwerte mit einem Referenzwert Korrekturwerte ermittelt werden. Die Messwerte werden wenigstens mit einer ersten und einer zweiten frequenzselektiven Filterung gefiltert.
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In der
DE 41 33 679 A1 wird ein Verfahren zur Adaption von mechanischen Toleranzen eines Geberrades beschrieben. Das Geberrad weist eine Anzahl von Markierungen auf, deren Abstand näherungsweise gleich ist. Die Markierungen werden von einem Aufnehmer abgetastet, der eine Pulsfolge liefert, deren zeitlicher Abstand gemessen und abgespeichert wird. Das Geberrad steht mit einer sich drehenden Welle einer Brennkraftmaschine in Verbindung. Es wird geprüft, ob sich die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb befindet. Bei erkanntem Schubbetrieb werden das zweite und die folgenden Zeitintervalle zum ersten Zeitintervall in Bezug gesetzt.
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Aus der
DE 198 04 327 A1 ist ein Verfahren zur genauen Drehzahlerfassung bekannt. Mittels des Verfahrens werden die durch exzentrische Lagerung einer Geberscheibe mit peripheren Zähnen auf der Kurbelwelle auftretenden Schwankungen der einzelnen Zahnzeiten während des Motorbetriebs auf elektronischem Wege korrigiert. Dazu werden im erkannten Schubbetrieb des Motors, wenn keine durch den Motorbetrieb bewirkten Drehzahlschwankungen auftreten, anhand der von einem Aufnehmer abgeleiteten Impulse ausgehend von einer Bezugsflanke die Zahnzeiten jedes einzelnen Zahns erfasst, d. h. die Zeiten, wo die Vorder- oder Rückflanke jedes Zahns an der Stirn des Aufnehmers vorbeistreicht. Nach einer Dynamikkompensation jedes einzelnen erfassten Zeitpunktes durch Bezug auf eine Umlaufzeit der Welle wird ein Mittelwert aus allen kompensierten Zahnzeiten gebildet. Dann werden solche Zähne extrahiert, die einen maximalen Exzentrizitätsfehler und solche Zähne, die keinen Exzentrizitätsfehler haben. Schließlich werden die Zahnzeiten der Zähne mit abweichenden Zeiten in positiver oder negativer Richtung korrigiert.
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In der
DE 195 40 674 C2 wird ein Adaptionsverfahren zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades beschrieben. Das Geberrad weist eine Anzahl von Zähnen auf, deren Abstände zueinander von einem Aufnehmer abgetastet werden, wobei der Aufnehmer eine Pulsfolge liefert, deren zeitlicher Abstand für jeden Zahn oder ein mehrere Zähne umfassendes Segment gemessen und in Betriebszuständen der Schubabschaltung der Brennkraftmaschine korrigiert wird. Aus den aktuell gemessenen Zahnzeit- bzw. Segmentzeitwerten wird eine mittlere Zahnzeit berechnet. Die aktuellen Zahnzeitwerte werden auf die mittlere Zahnzeit normiert, wodurch normierte Zahnzeiten erhalten werden. Es wird bestimmt, in welchem Drehzahlbereich sich die Brennkraftmaschine befindet. Abhängig vom ermittelten Drehzahlbereich ist für jeden Zahn ein Adaptionsfaktor festgelegt. Die normierten Zahnzeiten werden zur Korrektur des zum j-ten Zahn im i-ten Drehzahlbereich gehörenden Adaptionsfaktors herangezogen, wodurch korrigierte Adaptionsfaktoren erhalten werden. Dabei ist ”j” eine Laufvariable für die Zähne und ”i” eine Laufvariable für die Drehzahlbereiche. Aus den korrigierten Adaptionsfaktoren wird ein drehzahlunabhängiger Korrekturfaktor für jeden Zahn bzw. jedes Segment berechnet und zur Korrektur des j-ten Zahnzeitwertes herangezogen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Korrektur von durch Toleranzen eines auf einer Welle angeordneten Geberrades verursachten Fehlern bei einer Drehzahlermittlung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zur Korrektur von durch Toleranzen eines auf einer Welle angeordneten Geberrades verursachten Fehlern bei einer Drehzahlermittlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Korrektur von Fehlern bei einer Drehzahlermittlung, die durch Toleranzen eines auf einer Welle angeordneten Geberrades verursacht werden, welches eine Mehrzahl von über einen Umfang des Geberrades verteilten Markierungen aufweist, die zur Drehzahlermittlung von einem Sensor erfasst werden, wird in einer Anlernphase ein zeitlicher Abstand zwischen einem Anfang und einem Ende jeder Markierung ermittelt und eine Abweichung des jeweiligen ermittelten zeitlichen Abstandes zu einem vorgegebenen Referenzwert als Korrekturwert für die jeweilige Markierung ermittelt.
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Erfindungsgemäß wird aus den ermittelten Korrekturwerten der aufeinander folgenden Markierungen ein Korrekturvektor gebildet. Nach der Anlernphase werden die Korrekturwerte mittels des Korrekturvektors bei Umdrehungen des Geberrades der jeweiligen Markierung zugeordnet und zur Drehzahlermittlung erfasste zeitliche Messwerte der Markierungen werden mittels des der jeweiligen Markierung zugeordneten Korrekturwertes korrigiert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auf mathematischem Weg und daher auf einfach zu implementierende und kostengünstige Weise Toleranzen des Geberrades, genauer gesagt dadurch verursachte Fehler bei der Drehzahlbestimmung, korrigiert. Diese Toleranzen sind insbesondere fertigungsbedingte mechanische Toleranzen, die bei einer Herstellung des Geberrades auftreten. Es wäre zwar möglich, diese Toleranzen im Herstellungsprozess des Geberrades zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, jedoch wäre dies mit erheblich höheren Fertigungskosten verbunden, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht erforderlich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren würde es im Gegenteil auch ermöglichen, bei der Herstellung des Geberrades noch größere Toleranzen zuzulassen, wodurch die Fertigungskosten weiter reduziert werden können. Somit ermöglicht das Verfahren die Verwendung eines sehr kostengünstigen Geberrades zur Drehzahlermittlung, wobei durch das Verfahren eine exakte Ermittlung der jeweiligen Drehzahl sichergestellt ist und durch die Toleranzen des Geberrades verursachte Fehler korrigiert und dadurch vermieden werden.
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Das Geberrad ist beispielsweise auf einer Getriebeausgangswelle eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, zum Beispiel eines Lastkraftwagens, angeordnet. Die mittels des Verfahrens ermöglichte exakte Drehzahlermittlung stellt eine hohe Regelgüte von Funktionen sicher, deren Regelung auf der Drehzahlermittlung basiert. Eine solche Funktion ist beispielsweise ein Tempomat des Fahrzeugs, d. h. eine automatische Geschwindigkeitsregelfunktion. Beispielsweise werden durch diese hohe Regelgüte für einen Fahrzeugführer bemerkbare Schwingungen vermieden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch eine Sensoranordnung zur Drehzahlermittlung.
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1 zeigt schematisch stark vereinfacht eine Sensoranordnung 1 zur Drehzahlermittlung. Die Sensoranordnung 1 ist vorzugsweise als eine induktive Sensoranordnung 1 ausgebildet und umfasst ein Geberrad 2 und einen mit einer Verarbeitungseinheit 3 gekoppelten Sensor 4. Das Geberrad 2 ist auf einer Welle 5 angeordnet, deren Drehzahl zu ermitteln ist, und an dieser Welle 5 befestigt, so dass keine Relativbewegungen zwischen Welle 5 und Geberrad 2 auftreten.
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Die Welle 5 ist in einer bevorzugten Ausführungsform als eine Getriebeausgangswelle eines Fahrzeugs ausgebildet, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, zum Beispiel eines Lastkraftwagens oder Busses. Mittels der Sensoranordnung 1 ermittelte Drehzahlen, in diesem Fall Getriebeausgangsdrehzahlen, dienen dann zweckmäßigerweise als Eingangsdaten für einen Tachographen des Fahrzeugs, mittels welchem insbesondere Lenkzeiten eines jeweiligen Fahrzeugführers ermittelt werden. Eine für diese Zwecke vorgesehene Sensoranordnung 1 unterliegt gesetzlichen Vorschriften, beispielsweise ist die Verwendung einer induktiv arbeitenden Sensoranordnung 1 vorgeschrieben, wobei das Geberrad 2 dann als Induktivgeber ausgebildet ist.
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Das Geberrad 2 weist eine Mehrzahl von über einen Umfang des Geberrades 2 verteilten Markierungen 6 auf, die zur Drehzahlermittlung vom Sensor 4 erfasst und zweckmäßigerweise in der Verarbeitungseinheit 3 ausgewertet und verarbeitet werden. Zur Drehzahlermittlung werden zeitliche Messwerte der Markierungen 6 ermittelt und daraus die Drehzahl ermittelt. Im dargestellten Beispiel sind diese Markierungen 6 als Zahnlücken ausgebildet, welche sich jeweils zwischen zwei am Umfang des Geberrades 2 ausgebildeten Zähnen 7 erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform weist das Geberrad 2 zwölf Zähne 7 und daher auch zwölf als Zahnlücken ausgebildete Markierungen 6 auf. Es ist daher als ein zwölfpoliges Geberrad 2 ausgebildet. In anderen Ausführungsbeispielen eines mit der Sensoranordnung 1 durchzuführenden Verfahrens, welches im Folgenden näher beschrieben wird, kann das Geberrad 2 auch mehr oder weniger Markierungen 6 aufweisen.
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Das Geberrad 2 weist aufgrund von Fertigungstoleranzen geometrische Abweichungen zwischen den einzelnen Zähnen 7 auf, d. h. aufgrund dieser Toleranzen weisen die Markierungen 6 des Geberrades 2, im hier dargestellten Beispiel die Zahnlücken, eine unterschiedliche Breite auf. Diese Toleranzen führen zu Fehlern bei der Drehzahlermittlung. Mittels des im Folgenden beschriebenen Verfahrens wird eine Messgüte der Drehzahlermittlung und einer bei Fahrzeugen daraus resultierenden Geschwindigkeitsermittlung auf mathematische Weise erhöht, indem die durch die Toleranzen verursachten Fehler korrigiert werden.
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Üblicherweise werden die Markierungen 6, beispielsweise ein Anfang und ein Ende der jeweiligen Markierung 6, d. h. die Markierung 6 begrenzende Zahnflanken, in einem Herstellungswerk des Fahrzeugs auf einen festen Wert kalibriert, zum Beispiel bei einer Kalibrierung des Tachographen auf einem Rollenprüfstand. Durch den Fertigungsprozess des Geberrades 2 weist dieses jedoch Fertigungstoleranzen auf, wie bereits beschrieben, welche zu Fehlern bei der Ermittlung der Drehzahl führen. Diese Fehler werden Regelalgorithmen einer Steuerelektronik des Fahrzeugs zugeführt und führen unter Umständen zu einer Überlagerung der Regelgröße mit einer Schwingung, beispielsweise bei einem Tempomat des Fahrzeugs. Diese Schwingung ist für einen Fahrzeugführer spürbar und verschlechtert die Qualität der jeweiligen geregelten Funktion und die Fahrbarkeit des Fahrzeugs. Die Fertigung eines genaueren Geberrades 2, welches geringere Toleranzen aufweist, wäre zwar möglich, würde jedoch zu erheblich höheren Fertigungskosten führen. Mittels des Verfahrens werden die durch die Toleranzen verursachten Fehler auf einfach zu implementierende und kostengünstige Weise korrigiert, so dass beispielsweise auch Geberräder 2 verwendet werden können, welche noch größere Toleranzen aufweisen und welche daher aufgrund einer vereinfachten Fertigung zu noch geringeren Fertigungskosten herstellbar sind.
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Im Verfahren wird in einer Anlernphase ein zeitlicher Abstand zwischen einem Anfang und einem Ende jeder Markierung 6 ermittelt, d. h. ein jeweiliger Flankenabstand bzw. ein zeitlicher Abstand zwischen der die jeweilige Markierung 6 begrenzenden abfallenden und ansteigenden Zahnflanke. Eine Reihenfolge der ermittelten zeitlichen Abstände wird gespeichert. Es wird für jede Markierung 6 des Geberrades 2, d. h. für jede Zahnlücke, eine Abweichung des für diese Markierung 6 ermittelten zeitlichen Abstandes zu einem vorgegebenen Referenzwert als Korrekturwert ermittelt. Der Referenzwert entspricht zweckmäßigerweise einem Wert für ein ideal ausgebildetes Geberrad 2, welches also keine Toleranzen aufweist.
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Aus den ermittelten Korrekturwerten der aufeinander folgenden Markierungen 6 wird ein Korrekturvektor gebildet, indem die mittels der zeitlichen Abstände ermittelten Korrekturwerte in der Reihenfolge der ermittelten zeitlichen Abstände als Korrekturvektor zusammengestellt werden. Somit weist der Korrekturvektor die Korrekturwerte in derselben Reihenfolge auf, in welcher die Markierungen 6, hier die Zahnlücken, nacheinander über den Umfang des Geberrades 2 verteilt am Geberrad 2 ausgebildet sind. Mittels des Korrekturvektors, welcher die Korrekturwerte somit in der korrekten Reihenfolge aufweist, werden die Korrekturwerte nach Abschluss der Anlernphase, bei nachfolgenden Umdrehungen des Geberrades 2, der jeweiligen Markierung 6 zugeordnet und es werden zur Drehzahlermittlung erfasste zeitliche Messwerte der Markierungen 6 mittels des der jeweiligen Markierung 6 zugeordneten Korrekturwertes korrigiert, so dass die exakte Drehzahlermittlung sichergestellt ist.
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D. h. der Korrekturvektor dient bei der Drehzahlermittlung einer Normierung auf eine mittlere oder ideale Markierungsbreite, welche im dargestellten Beispiel als Zahnlückenbreite ausgebildet ist. Diese mittlere oder ideale Markierungsbreite entspricht beispielsweise der Markierungsbreite eines idealen, d. h. ohne Toleranzen ausgebildeten Geberrades 2. Die Korrektur der mechanischen Toleranzen des realen Geberrades 2 wird bei jeder Ermittlung der jeweiligen Zahnlückenbreite durchgeführt, so dass die mechanischen Toleranzen zahnweise bzw. markierungsweise durch den beschriebenen Algorithmus, welcher zweckmäßigerweise in der Verarbeitungseinheit ausgeführt wird, korrigiert werden.
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Mittels des Korrekturvektors werden die ermittelten Korrekturwerte mit den Markierungen 6, im hier dargestellten Beispiel mit den Zahnlücken des Geberrades 2, synchronisiert. Hierzu wird zunächst ermittelt, in welcher Reihenfolge die Toleranzen auftreten, beispielsweise während der ersten zwei Umdrehungen des Geberrades 2 nach der Anlernphase. Durch eine Abspeicherung einer Reihenfolge dabei ermittelter Werte kann der Korrekturvektor auf eine aktuelle Stellung des Geberrades 2 reagieren und jeder Markierung 6 des Geberrades 2, d. h. jeder Zahnlücke, den für sie vorgesehenen Korrekturwert zuordnen.
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Zweckmäßigerweise wird die Ermittlung der Korrekturwerte während einer ersten vollständigen Umdrehung des Geberrades 2 durchgeführt. Vorteilhafterweise ist nach dieser ersten vollständigen Umdrehung des Geberrades 2 die Anlernphase beendet und es wird sofort die Drehzahlermittlung mit der Korrektur der toleranzbedingten Fehler durchgeführt. Dabei wird sofort der erste Korrekturwert des Korrekturvektors auf die erste zum zweiten Mal den Sensor 4 passierende Markierung 6 des Geberrades 2 angewendet, so dass die oben beschriebene mehrmalige Umdrehung des Geberrades 2 zur Synchronisation des Korrekturvektors mit den Markierungen 6 des Geberrades 2 in dieser vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens nicht erforderlich ist.
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Zweckmäßigerweise wird die Drehzahl der Welle 5 mittels einer hier nicht näher dargestellten weiteren Vorrichtung ermittelt. Dies kann direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise mittels eines weiteren Drehzahlsensors, welcher die Drehzahl der Welle 5 direkt ermittelt oder welcher an einer anderen Welle des Fahrzeugs angeordnet ist und deren Drehzahl ermittelt, wobei die Drehzahlen der Welle 5 und der anderen Welle, zumindest während der Anlernphase, in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen, so dass mittels dieser weiteren Vorrichtung dann auch die Drehzahl der Welle 5 mit dem Geberrad 2 ermittelt werden kann. Bei dieser anderen Welle kann es sich beispielsweise um eine andere Welle des Getriebes handeln, zum Beispiel um eine Getriebeeingangswelle, oder beispielsweise um eine mit der Getriebeeingangswelle gekoppelte Motorausgangswelle.
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Die Anlernphase wird dann in einer Ausführungsform des Verfahrens zweckmäßigerweise nur während einer konstanten Drehzahl der Welle 5 durchgeführt. Dies ist mittels der weiteren Vorrichtung zur Drehzahlermittlung feststellbar und überwachbar. Auf diese Weise wird verhindert, dass Drehzahländerungen in der Anlernphase, beispielsweise aufgrund eines Beschleunigens oder Verzögerns des Fahrzeugs, einen Einfluss auf die Korrekturwerte haben und diese verfälschen.
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In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden mittels dieser weiteren Vorrichtung während der Anlernphase auftretende Drehzahländerungen der Welle 5 ermittelt und bei der Ermittlung der zeitlichen Abstände zwischen dem Anfang und dem Ende jeder Markierung 6 und/oder bei der Ermittlung der Korrekturwerte berücksichtigt. Zweckmäßigerweise werden diese Drehzahländerungen und die daraus resultierenden zeitlichen Abweichungen aus den ermittelten zeitlichen Abständen zwischen dem Anfang und dem Ende jeder Markierung 6 herausgerechnet, so dass sich diese ermittelten zeitlichen Abstände zwischen dem Anfang und dem Ende jeder Markierung 6 auf eine feste Drehzahl beziehen. Auf diese Weise ist das Verfahren, insbesondere dessen Anlernphase, auch bei Drehzahländerungen der Welle 5 durchführbar, so dass ein Warten auf einen Abschnitt konstanter Drehzahlen, welcher ausreichend lang zur Durchführung der Anlernphase ist, nicht erforderlich ist.
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Vorteilhafterweise wird die Anlernphase nach jedem Motorstart des Fahrzeugs durchgeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Korrekturvektor stets die korrekten Korrekturwerte aufweist, da diese nach jedem Motorstart neu ermittelt werden. Auf diese Weise haben beispielsweise Veränderungen der Sensoranordnung 1, welche während eines Lebenszyklus des Fahrzeugs auftreten, keine Einwirkungen auf die Drehzahlermittlung mittels der Sensoranordnung 1. Beispielsweise kann auf diese Weise das Geberrad 2 und/oder der Sensor 4 während eines Werkstattaufenthalts ausgetauscht werden oder es können Veränderungen am Geberrad 2 oder an der Positionierung des Sensors 4 auftreten. Der Sensor 4 ist beispielsweise in eine Aufnahmeöffnung an einem Gehäuse des Getriebes eingeschlagen. Durch diese Befestigung des Sensors 4 können sich Positionsveränderungen des Sensors 4 zum Geberrad 2 während des Lebenszyklus des Fahrzeugs ergeben. Bei einem Austausch des Sensors 4 kann der neue Sensor 4 durch dieses Einschlagen in die Aufnahmeöffnung eine im Vergleich zum alten Sensor 4 abweichende Position zum Geberrad 2 aufweisen.
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Würde nach solchen Veränderungen der Korrekturvektor unverändert weiterhin verwendet werden, würde dies zu Fehlern in der Drehzahlermittlung führen, da die Veränderungen durch die alten Korrekturwerte nicht berücksichtigt werden. Durch die Durchführung der Anlernphase nach jedem Motorstart, so dass nach jedem Motorstart an die aktuellen Gegebenheiten der Sensoranordnung 1 angepasste exakte Korrekturwerte ermittelt werden und nachfolgend bei der Drehzahlermittlung verwendet werden, wird dies verhindert und es wird sichergestellt, dass die Drehzahlen stets korrekt ermittelt werden.
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Durch das Verfahren und die exakte Zuordnung der Korrekturwerte mittels des Korrekturvektors zur jeweiligen Markierung 6 können beispielsweise auch unplausible Drehzahlwerte herausgefiltert werden. Beispielsweise kann es bei Vibrationen des Getriebes, insbesondere in einem Lastkraftwagen oder Bus, zu solchen unplausiblen Werten kommen, welche nicht mit den in der Anlernphase ermittelten Werten übereinstimmen und welchen der Korrekturvektor daher keinen Korrekturwert zuordnen kann. Diese unplausiblen Werte können dann herausgefiltert werden, d. h. sie werden bei der Drehzahlermittlung nicht berücksichtigt, so dass Fehler, welche daraus resultieren würden, ebenfalls vermieden werden.
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Durch das Verfahren und die durch die Korrektur der Fehler ermöglichte präzise Drehzahlermittlung ist für drehzahlabhängige Funktionen eine exakte Drehzahlvorgabe ermöglicht. Beispielsweise ermöglichen diese drehzahlabhängigen Funktionen ein hochpräzises automatisches Bewegen des Fahrzeugs, zum Beispiel ein Kriechen mit einer exakt vorgegebenen Geschwindigkeit, d. h. ein sehr langsames Bewegen des Fahrzeugs. Dadurch wird beispielsweise ein sehr langsames und dadurch gefahrloses Annähern des als Lastkraftwagen ausgebildeten Fahrzeugs rückwärts an eine Laderampe ermöglicht. Eine Gefahr von Drehzahlschwankungen aufgrund fehlerhaft ermittelter Drehzahlen, welche zu einem plötzlichen Beschleunigen des Fahrzeugs führen können und durch welche das Fahrzeug dann mit der Laderampe kollidieren kann, wird somit vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Geberrad
- 3
- Verarbeitungseinheit
- 4
- Sensor
- 5
- Welle
- 6
- Markierung
- 7
- Zahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19733958 A1 [0002]
- DE 4133679 A1 [0003]
- DE 19804327 A1 [0004]
- DE 19540674 C2 [0005]
