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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Drehgeschwindigkeitserfassungsverfahren.
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Fahrzeuge sind mit Drehgeschwindigkeitssensoren ausgestattet, welche den Betrieb rotierender Elemente zu Steuerung-und Diagnosezwecken überwachen. Überwachte Elemente können integrierte Elemente einer Brennkraftmaschine, eines Getriebes, eines Elektromotors/Generators, von Rädern und dergleichen sein.
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Die Druckschrift
DE 197 30 806 A1 offenbart eine Einrichtung zur Signalauswertung bei Inkrementalgebern mit zwei Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtungen, die ein Zielrad mit vielen Zähnen überwachen. Es werden Signalausgänge der beiden Erfassungsvorrichtungen überwacht, indem ein erster und zweiter Zähler inkrementiert werden, wenn die Erfassungsvorrichtungen eine fallende Flanke von einem der Zähne detektieren, und indem ein dritter Zähler inkrementiert wird, wenn eine der Erfassungsvorrichtungen entweder eine steigende oder eine fallende Flanke detektiert. Mithilfe des dritten Zählers wird eine Drehrichtung des Zielrads ermittelt und mithilfe des ersten oder zweiten Zählers wird eine Drehgeschwindigkeit des Zielrads ermittelt.
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In der Druckschrift
DE 601 16 424 T2 ist eine Vorrichtung zum Erkennen des Drehzustands eines Rades offenbart, die eine Radgeschwindigkeit von Null dann anzeigt, wenn die Drehgeschwindigkeit des Rades kleiner als ein Geschwindigkeitsschwellenwert ist und sich die Drehrichtung des Rades zwischen einer positiven Richtung und einer negativen Richtung ändert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Geschwindigkeitserfassungsverfahren zu schaffen, das auch bei Vibrationen oder sonstigen Störungen zuverlässig funktioniert.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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Figurenliste
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 ein Funktionsblockdiagramm eines Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems zum Überwachen eines drehbaren Elements in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf schematische Weise veranschaulicht;
- 2 Signalausgänge von ersten und zweiten Erfassungsvorrichtungen von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, zum Überwachen der Drehung des drehbaren Elements mit Bezug auf die Zeit bei stationären Betriebsbedingungen mit stationärer Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf grafische Weise zeigt;
- 3 Signalausgänge von ersten und zweiten Erfassungsvorrichtungen von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, und von entsprechenden Zählern, die einen 4x-Zähler und einen 1xa-Zähler umfassen, mit Bezug auf die Zeit in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf grafische Weise zeigt;
- 4 eine Geschwindigkeitsbestimmungsroutine in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf schematische Weise zeigt;
- 5 Signalausgänge von ersten und zweiten Erfassungsvorrichtungen von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, und von einem entsprechenden 4x-Zähler bei Betriebsbedingungen, wenn eine Bedingung mit einer Geschwindigkeit von Null befohlen wird, in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf grafische Weise zeigt;
- 6 eine Tastverhältnis-Validierungsroutine in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf schematische Weise zeigt; und
- 7 Signalausgänge von ersten und zweiten Erfassungsvorrichtungen von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, und von einem entsprechenden 4x-Zähler bei Betriebsbedingungen, wenn eine Phasenbeziehung zwischen den Signalausgängen von der ersten und zweiten Erfassungsvorrichtung gestört ist, in Übereinstimmung mit der Offenbarung auf grafische Weise zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck, diese zu begrenzen, gedacht ist, veranschaulicht 1 auf schematische Weise ein Funktionsblockdiagramm eines Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems 100 zum Überwachen eines drehbaren Elements 15. Das Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystem 100 enthält ein Zielrad 10 mit vielen Zähnen, das mit dem drehbaren Element 15 zur Drehung gekoppelt ist, eine erste Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, die mit einem ersten Controller 25 signaltechnisch gekoppelt ist, und eine zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 30, die mit einem zweiten Controller 35 signaltechnisch gekoppelt ist. Der erste und zweite Controller 25, 35 sind mit einem Überwachungscontroller 40 signaltechnisch verbunden. Der Begriff Controller bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software-oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Die erste und zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 sind in einer Ausführungsform Halleffekt-Sensoren, wobei jeder eine Magnetquelle enthält, die einen Magnetfluss erzeugt, wenn sie mit Zähnen 12 des Zielrads 10 mit vielen Zähnen in Wechselwirkung tritt. Halleffekt-Sensoren enthalten einen Wandler, der einen Signalausgang in Ansprechen auf eine Veränderung bei einem Magnetfeld variiert, die durch ein Vorbeilaufen von Zähnen 12 und Zwischenräumen 14 an dem rotierenden Zielrad 10, das an dem drehbaren Element 15 befestigt ist, verursacht werden kann. Das Zielrad 10 mit vielen Zähnen ist an dem drehbaren Element 15 befestigt und dreht sich damit. In einer Ausführungsform ist das drehbare Element 15 mit einem Rotor eines Elektromotors/Generators gekoppelt, der in einem Getriebe mit vielen Modi eingebaut ist, um Antriebsdrehmoment in einem Fahrzeug zu erzeugen, obwohl die hier beschriebenen Konzepte nicht so eingeschränkt sind. Alternativ kann das drehbare Element 15 eine Kurbelwelle, eine Antriebswelle, eine Getriebeeingangswelle, eine Getriebeausgangswelle oder eine andere geeignete Welle eines Fahrzeugs umfassen. Das Zielrad 10 mit vielen Zähnen kann eine Menge von N Zähnen 12 umfassen, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist. Die N Zähne 12 sind um einen Außenumfang des Zielrades 10 mit vielen Zähnen herum vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet und durch Zwischenräume 14 getrennt. In einer Ausführungsform und wie gezeigt ist, ist eine Winkeldrehung des Zielrads 10 mit vielen Zähnen, die einem vollständigen der Zähne 12 zugeordnet ist, äquivalent zu einer Winkeldrehung des Zielrads 10 mit vielen Zähnen, die einem der Zwischenräume 14 zugeordnet ist. Auf diese Weise können vordere Flanken zwischen zwei aufeinanderfolgenden der N Zähne 12 durch eine Winkeldrehung von 360°/N des drehbaren Elements 15 getrennt sein. Bei einigen Implementierungen kann das Zielrad 10 mit vielen Zähnen eine (nicht gezeigte) Zahnlücke umfassen, bei der einer oder mehrere der Zähne 12 fehlt bzw. fehlen. Die Zahnlücke kann eine Referenz-Drehposition für das drehbare Element 15 anzeigen, etwa eine obere Totpunktposition des Zylinders Nummer 1, wenn das drehbare Element 15 mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Jeder der Zähne 12 des Rades 10 kann ein eisenhaltiges Material umfassen, das den Magnetfluss verändert (beispielsweise konzentriert).
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Die erste und zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 erzeugen jeweils einen Stromimpuls, wenn ihr Magnetfluss durch das Vorbeilaufen einer vorderen Flanke oder einer fallenden Flanke von einem der Zähne 12 und des damit zusammenhängenden Zwischenraums 14 des Zielrads 10 mit vielen Zähnen während der Drehung verändert wird. Auf diese Weise wird jedes Mal ein Stromimpuls erzeugt, wenn einer der Zähne 12 des Zielrads 10 mit vielen Zähnen an einer der ersten und zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtungen 20, 30 vorbeiläuft. Der erste und zweite Controller 25, 35 enthalten jeweils Signalverarbeitungselemente zum Erfassen und Auswerten von Signaländerungen und von einem begleitenden Zeitstempel von der jeweiligen ersten und zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30, welche durch Veränderungen beim Magnetfluss verursacht werden, die mit einer Drehung des Zielrads 10 mit vielen Zähnen verbunden ist, welche beispielsweise einen Verstärker, einen Analog/Digital-Umsetzer und/oder andere geeignete Komponenten (nicht gezeigt) umfassen. Die erste und zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 sind physikalisch mit einem Winkelversatz zueinander mit Bezug auf eine Rotationsachse und einen entsprechenden Mittelpunkt des zugehörigen drehbaren Elements 15 derart angeordnet, dass die Überwachung durch die zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 30 um 90° eines einzelnen Zahnzyklus in Bezug auf die Überwachung durch die erste Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20 versetzt ist, wenn ein Zahnzyklus so definiert ist, dass er 360° einer Drehung von einer vorderen Flanke eines ersten der Zähne 12 zu einer vorderen Flanke eines zweiten nachfolgenden der Zähne 12 aufweist. Die erste und zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 werden verwendet, um die Position, die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des drehbaren Elements 15 zu detektieren.
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Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten, beispielsweise Mikroprozessoren und einer zugehörigen nicht vorübergehenden Speicherkomponente in der Form von Arbeitsspeicher- und Massenspeichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.). Die nicht vorübergehende Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software-oder Firmwareprogramme oder Routinen zu speichern, kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten, auf die von einem oder mehreren Prozessoren aus zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen enthalten Analog/Digital-Umsetzer und ähnliche Vorrichtungen, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei diese Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder in Ansprechen auf ein Auslöseereignis mit einem zugehörigen Zeitstempel überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Jeder Controller führt Steuerungsroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, was umfasst, dass Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerkcontrollern überwacht werden und Steuerungs- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs von Aktoren ausgeführt werden. Kommunikationen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direkt verdrahteten Kopplung, einer Netzwerkkommunikationsbuskopplung, einer drahtlosen Kopplung oder einer beliebigen anderen geeigneten Kommunikationskopplung bewerkstelligt werden. Kommunikationen umfassen das Austauschen von Datensignalen in einer beliebigen geeigneten Form, die beispielsweise elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über optische Wellenleiter und dergleichen umfassen.
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Ein Fahrzeug, dass ein Hybridantriebsstrangsystem verwendet, das einen Elektromotor/Generator enthält, kann einen oder mehrere Sensoren einsetzen, die als Codierer verwendet werden, um eine Drehgeschwindigkeit und Position seines drehbaren Elements 15 zu überwachen. Bei einigen Betriebsbedingungen kann eine Drehung des drehbaren Elements 15 gestoppt werden, etwa wenn eine Bremskupplung verriegelt wird. Jedoch kann eine interne mechanische Vibration aufgrund des Flankenspiels von Zahnrädern und anderer Bedingungen das drehbare Element 15 und das Sensorrad in nicht vorhersagbare Weise schwingen lassen, wodurch nicht erwartete Übergänge in einem Signalausgang von einem Halleffekt-Sensor verursacht werden. Diese Übergänge im Signalausgang von dem Sensor können so interpretiert werden, dass sie eine Drehgeschwindigkeit anzeigen, was zu einer Aktion durch Systemsteuerungs- und Diagnosesysteme führen kann, die unnötig und potentiell störend für den Systembetrieb ist.
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2 zeigt auf grafische Weise Signale A 210 und B 220, die von der ersten bzw. zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems 100, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, ausgegeben werden, um eine Drehung des drehbaren Elements 15 mit Bezug auf die Zeit, die in der Horizontalen gezeigt ist, zu überwachen. Das Signal A 210 ist ein diskretes Signal mit einem hohen (1) oder einem niedrigen (0) Wert, das der ersten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20 zugeordnet ist, und das Signal B 220 ist ein diskretes Signal mit einem Wert von 1 oder 0, das der zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 30 zugeordnet ist. Das Signal A 210 enthält eine Vielzahl von Zahnzyklen, die einer Drehung des drehbaren Elements 15 zugeordnet sind, einschließlich eines Zahnzyklus, der bei einer steigenden Flanke zu einem Zeitpunkt 212 beginnt, eine fallende Flanke zum Zeitpunkt 214 enthält und bei einer unmittelbar folgenden steigenden Flanke zu einem Zeitpunkt 216 endet. Das Signal B 220 enthält eine Vielzahl von Zahnzyklen, die der Drehung des drehbaren Elements 15 zugeordnet sind, einschließlich eines Zahnzyklus, der bei einer steigenden Flanke zu einem Zeitpunkt 213 beginnt, eine fallende Flanke zu einem Zeitpunkt 215 enthält und bei einer unmittelbar folgenden steigenden Flanke zu einem Zeitpunkt 217 endet. Jeder Zahnzyklus kann mithilfe von 360° einer Zahndrehung beschrieben werden, wobei das Signal B 220 zu dem Signal A 210 um 90°einer Zahndrehung verschoben ist, wie hier beschrieben wird.
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Die Signalausgänge, die das Signal A 210 und das Signal B 220 umfassen, zeigen die Drehrichtung des drehbaren Elements 15 wie folgt an. Eine Periode 225 zeigt eine Nenn-Vorwärtsdrehrichtung, was umfasst, dass sich das Signal A 210 in einem hohen Zustand (1) befindet, wenn das Signal B 220 bei den Zeitpunkten 213 und 217 von 0 zu 1 übergeht, d.h. das Signal A eilt dem Signal B voraus. Die Periode 235 zeigt eine Nenn-Rückwärtsdrehrichtung, welche umfasst, dass sich das Signal A 210 in einem niedrigen Zustand (0) befindet, wenn das Signal B 220 bei Zeitpunkt 226 von 0 zu 1 übergeht, d.h. das Signal B eilt dem Signal A voraus.
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3 zeigt Signale A 310 und B 320 auf grafische Weise, die von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems 100 ausgegeben werden, das mit Bezug auf 1 beschrieben wurde und die erste bzw. zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 enthält, welche eine Drehung des drehbaren Elements 15 mit Bezug auf die Zeit, die in der Horizontalen gezeigt ist, überwachen. Die Signale A 310 und B 320 sind analog zu den Signalen A 210 bzw. B 220, die mit Bezug auf 2 gezeigt sind. Andere analoge Signale umfassen einen 4x-Zähler 330 und einen 1xa-Zähler 340. Die Signale A 310 und B 320, der 1xa-Zähler 340 und der 4x-Zähler 330 werden verwendet, um die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung des drehbaren Elements 15 wie folgt zu überwachen. Der 4x-Zähler 330 zählt die Menge der Anzahl steigender und fallender Flanken der beiden Signale A 310 und B 320, und er ist bidirektional, wobei er für eine Nenn-Vorwärtsdrehrichtung hochzählt und für eine Nenn-Rückwärtsdrehrichtung herunterzählt. Eine Periode 345 umfasst eine Nenn-Vorwärtsdrehrichtung, und eine Periode 355 umfasst eine Nenn-Rückwärtsdrehrichtung. Daher wird der 4x-Zähler 330 bei jedem der Zeitpunkte 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317 und 318, die einer Vorwärtsdrehrichtung zugeordnet sind, inkrementiert, und bei jedem der Zeitpunkte 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327 und 328, die einer Rückwärtsdrehrichtung zugeordnet sind, dekrementiert. Der 1xa-Zähler 340 zählt fallende Flanken, die dem Signal A 310 zugeordnet sind, und er zählt nur hoch. Daher wird der 1xa-Zähler 340 wie gezeigt bei jedem der Zeitpunkte 313 und 317 in die Vorwärtsrichtung inkrementiert, und er wird auch bei jedem der Zeitpunkte 324 und 328 in die Rückwärtsrichtung inkrementiert. Ein entsprechender (nicht gezeigter) 1xb-Zähler zählt fallende Flanken, die dem Signal B 320 zugeordnet sind. Diese Zähler zählen nur hoch und springen auf Null zurück, wenn der Maximalwert erreicht ist. Die Drehgeschwindigkeit wird bestimmt, indem eine Impulszählung und eine Zeitzählung überwacht werden, die für jedes der überwachten Sensorsignale A 310 und B 320 bestimmt werden, wobei die Impulszählung dem 1xa-Zähler 340 ähnelt und die Zeitzählung in der Form eines Zeitstempels für jede der fallenden Flanken vorliegt. Die Geschwindigkeit wird vorzugsweise berechnet, in dem ein Impulszählungsdelta durch ein Zeitzählungsdelta dividiert wird und ein Skalierungsfaktor angewendet wird. Der 1xa-Zähler 340 wird hier auch als erster Zähler bezeichnet, der (nicht gezeigte) 1xb-Zähler wird hier auch als zweiter Zähler bezeichnet und der 4x-Zähler 330 wird hier auch als dritter Zähler bezeichnet.
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4 zeigt auf schematische Weise eine Geschwindigkeitsbestimmungsroutine
400, die in einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems
100, das hier vorstehend beschrieben ist, in einem Controller ausgeführt wird. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt werden, die der Geschwindigkeitsbestimmungsroutine
400 entsprechen.
Tabelle 1
| Block | Blockinhalte |
| 400 | Geschwind igkeitsbestimmu ngsroutine |
| 402 | Ist 1xa-Zählungsdelta = 0? |
| 410 | Halteperiode für Geschwindigkeit von Null abgelaufen? |
| 412 | Nrpm < Schwellenwert UND Dir[k] = Dir[k-1]? |
| 414 | Ungültiges Tastverhältnis |
| 416 | Geschwindigkeit von Null anzeigen |
| 420 | Nrpm < Schwellenwert UND Dir[k] = Dir[k-1]? |
| 422 | Geschwindigkeit berechnen |
| 424 | Geschwindigkeit von Null anzeigen |
| 426 | Richtung in Dir[k] erfassen |
| 430 | Ausgang |
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Die Geschwindigkeitsbestimmungsroutine 400 überwacht Signale, die von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems 100, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, ausgegeben werden, um das Auftreten von Veränderungen bei der Drehrichtung bei niedrigen Geschwindigkeiten zu prüfen. Die Geschwindigkeitsbestimmungsroutine 400 ist eine eingeplante Aufgabe, die während des fortlaufenden Betriebs periodisch ausgeführt wird, zum Beispiel einmal alle 100 Mikrosekunden oder einmal alle 500 Mikrosekunden. Überwachte Signale, welche die Konzepte veranschaulichen, die die Geschwindigkeitsbestimmungsroutine 400 betreffen, sind mit Bezug auf 5 beschrieben und umfassen Signale A 510 und B 520 und einen 4x-Zähler 530. Wie zuvor beschrieben wurde, wird eine Drehgeschwindigkeit Nrpm berechnet, in dem ein Impulszählungsdelta durch ein Zeitzählungsdelta dividiert wird und ein Skalierungsfaktor angewendet wird. Die Drehgeschwindigkeit Nrpm ist der zuletzt berechnete Wert. Es wird ein 1xa-Zählungsdelta bestimmt, und dies ist eine numerische Zählung von fallenden Flanken des 1xa-Zählers seit der vorherigen periodischen Ausführung der Geschwindigkeitsbestimmungsroutine 400. Wenn das 1xa-Zählungsdelta einen Wert von Null aufweist (402) (1), das kein Auftreten von fallenden Flanken seit der vorherigen Ausführung anzeigt, wird festgestellt, ob eine Halteperiode für eine Geschwindigkeit von Null abgelaufen ist, welche in der Größenordnung von 300 ms liegen kann (410). Wenn die Halteperiode für eine Geschwindigkeit von Null abgelaufen ist, wobei das 1xa-Zählungsdelta bei Null bleibt (410) (1) zeigt die Routine an, dass die Geschwindigkeit Null ist (416) und diese Iteration endet (430).
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Wenn die Halteperiode für eine Geschwindigkeit von Null nicht abgelaufen ist, wobei das 1xa-Zählungsdelta bei Null bleibt (410) (0), wird die Drehgeschwindigkeit Nrpm mit einem Geschwindigkeitsschwellenwert verglichen und die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] wird mit einer Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] verglichen (412). Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm kleiner als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist und die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] entgegengesetzt zu der Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] ist (412) (1), zeigt die Routine an, dass die Geschwindigkeit Null ist (416) und diese Iteration endet (430).
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Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm nicht kleiner als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist und/oder die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] gleich der Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] ist (412) (0), stellt das System fest, ob das Tastverhältnis des Zählers ungültig ist (414). Eine Ausführungsform einer Tastverhältnis-Validierungsroutine ist mit Bezug auf 6 beschrieben. Wenn das Tastverhältnis ungültig ist (414) (1), zeigt die Routine an, dass die Geschwindigkeit Null ist (416) und diese Iteration endet (430).
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Wenn das 1xa-Zählungsdelta nicht einen Wert von Null aufweist (402) (0), wird die Drehgeschwindigkeit Nrpm mit einem Geschwindigkeitsschwellenwert verglichen und die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] wird mit einer Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] verglichen (420). Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm kleiner als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist und die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] entgegengesetzt zu der Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] ist (420) (1), dann zeigt die Routine an, dass die Drehgeschwindigkeit Null ist (424). Die Drehrichtung Dir[k] wird erfasst (426) und diese Iteration endet (430). Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm nicht kleiner als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist und/oder die Drehrichtung für diese Iteration Dir[k] gleich der Drehrichtung für die vorherige Iteration Dir[k-1] ist (420) (0), dann wird die Drehgeschwindigkeit Nrpm berechnet, (422), die Drehrichtung Dir[k] wird erfasst (426) und diese Iteration endet (430). Die 4x-Zählung zeigt die Drehrichtung des drehbaren Elements 15 an. Wenn das 4x-Zählungsdelta (aktueller Zählerstand minus vorheriger Zählerstand) positiv ist, ist die Drehrichtung des drehbaren Elements 15 vorwärts. Wenn das 4x Zählungsdelta analog negativ ist, ist die Drehrichtung des rotierenden Elements rückwärts.
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5 zeigt auf grafische Weise Signale A 510, B 520 und einen 4x-Zähler 530, die von einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems 100 ausgegeben werden, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist und eine erste bzw. eine zweite Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 20, 30 enthält, die eine Drehung des drehbaren Elements 15 mit Bezug auf die Zeit überwachen, welche in der Horizontalen gezeigt ist. Die Signale A 510, B 520 und der 4x-Zähler 530 sind analog zu den Signalen A 310, B 320 bzw. dem 4x-Zähler 330, die mit Bezug auf 3 gezeigt sind. Eine Periode 545 und eine Periode 555 zeigen jeweils Richtungsumkehrungen. Die Signale A 510, B 520 und der 4x-Zähler 530 werden bei Betriebsbedingungen erfasst, die eine befohlene Bedingung mit einer Geschwindigkeit von Null umfassen, wobei interne Vibrationen eine Rückwärts- und Vorwärtsdrehung des rotierenden Elements 15 verursachen. Stromimpulse, die steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, und die in einem der Signale A 510 oder B 520 detektiert werden, treten zu Zeitpunkten 521, 522, 523 und 524 während der Periode 545 auf. Auf analoge Weise treten Stromimpulse, die steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, die in einem der Signale A 510 oder B 520 detektiert wurden, zu Zeitpunkten 531, 532, 533 und 534 während der Periode 555 auf. Die Kennlinien der Wellenformen mit Vibrationen sind mit einem gleichphasigen Schalten oder mit einem um 180° phasenverschobenen Schalten mit Tastverhältnissen von ein wenig mehr oder ein wenig weniger als 50 % für eine oder beide Wellenformen gezeigt.
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Wenn eine Ausführungsform der Geschwindigkeitsbestimmungsroutine 400 verwendet wird, die mit Bezug auf 4 beschrieben wurde, können die Wellenformkonfigurationen als Richtungswechsel interpretiert werden, wobei der 4x-Zähler 530 wiederholt inkrementiert und dekrementiert wird, wie durch den 4x-Zähler 530 gezeigt ist. Dieser Richtungswechsel kann verwendet werden, wenn die Geschwindigkeit des drehbaren Elements 15 berechnet wird. Unter einem Schwellenwert mit niedriger Geschwindigkeit, bei dem Richtungswechsel als gültig betrachtet werden, wird die Richtung durch die Richtung des vorherigen Ausführungszyklus überprüft. Wenn ein Richtungswechsel stattgefunden hat, befindet sich das drehbare Element 15 bei einer Geschwindigkeit von Null. Diese Logik verhindert potenziell falsche Geschwindigkeitsberechnungen, wenn das drehbare Element 15 auf eine Geschwindigkeit von Null befohlen oder auf dieser verriegelt ist.
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6 zeigt auf schematische Weise eine Tastverhältnis-Validierungsroutine
600, die in einer Ausführungsform des Richtungs- und Geschwindigkeitserfassungssystems
100, das hier vorstehend beschrieben wurde, in einem Controller ausgeführt wird. Tabelle 2 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt werden, die der Tastverhältnis-Validierungsroutine
600 entsprechen.
Tabelle 2
| Block | Blockinhalte |
| 600 | Tastverhältnis-Validierungsroutine |
| 602 | 4x-Impulszeitintervall T[k] inkrementieren |
| 604 | Nrpm<Schwellenwert mit niedriger Geschwindigkeit und 4x-Zählungsdelta = 0 |
| 610 | 4xZählungsdelta = 0 |
| 612 | dT[k-1] = dT[k]
dT[k] = 0 |
| 620 | Tastverhältnis (DR) berechnen
DR = dT[k]/dT[k-1]
dT[k-1] = dT[k] zurücksetzen
dT[k] = 0 zurücksetzen |
| 622 | DR > 1 ? |
| 624 | DR = 1/DR |
| 626 | DR < (Schwellenwert)? |
| 628 | Ungültiges Tastverhältnis |
| 630 | Gültiges Tastverhältnis |
| 640 | Ende |
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Die Tastverhältnis-Validierungsroutine 600 ist eine eingeplante Aufgabe, die während eines fortlaufenden Betriebs periodisch ausgeführt wird, zum Beispiel einmal alle 100 Mikrosekunden oder einmal alle 500 Mikrosekunden, und sie bezieht sich auf das Zeitintervall der 4x-Zählerimpulse. Bei einer Bedingung mit stationärer Geschwindigkeit sind die Flanken der 4x-Zählerimpulse gleichmäßig beabstandet, wobei ein Zeitdelta auf der Grundlage der Drehgeschwindigkeit bestimmt wird. Überwachte Signale, welche die Konzepte mit Bezug auf die Tastverhältnis-Validierungsroutine 600 veranschaulichen, werden mit Bezug auf 7 beschrieben und sie umfassen Signale A 710 und B 720 und einen 4x-Zähler 730. Eine ungültige Phasenbeziehung kann detektiert werden, indem die abgelaufene Zeit zwischen empfangenen 4x-Impulsen verwendet wird, die von dem 4x-Zähler 730 überwacht werden. Ein Verhältnis von aufeinanderfolgenden 4x-Zählungsflanken-Zeitdeltas wird berechnet und mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn das Verhältnis kleiner als der Schwellenwert ist, wird eine Geschwindigkeit von Null angezeigt und folglich als Ausgabegeschwindigkeitswert gesetzt. Der Schwellenwert, der für den Vergleich verwendet wird, muss die maximale Beschleunigungsrate des drehbaren Elements 15 berücksichtigen, was veranlassen wird, dass sich das 4x-Zählungsdelta verändert, wenn die Geschwindigkeit zunimmt oder abnimmt.
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Die Tastverhältnis-Validierungsroutine 600 bestimmt ein 4x-Zählungszeitverhältnis, um ein Tastverhältnis des 4x-Zählers zu validieren, wodurch angezeigt wird, ob eine Phasenbeziehung zwischen den Wellenformen, die den Signalen A und B zugeordnet sind, gültig ist. Im Betrieb wird das 4x-Zählungszeitintervall T[k] begrenzt auf eine Zeitspanne von 60 Sekunden inkrementiert (602). Die 4x-Zählungszeitspanne T[k] ist eine abgelaufene Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Stromimpulsen, die steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, welche in einem der Signale A oder B detektiert werden. Die Drehgeschwindigkeit Nrpm wird mit einem Schwellenwert mit niedriger Geschwindigkeit verglichen, der in der Größenordnung von 100 U/min liegen kann, und der Wert des 4x-Zählerdeltas, d.h. 4xCnt[k] - 4xCnt[k-1], wobei k der Ausführungszyklus ist, wird ausgewertet (604). Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm größer als der Schwellenwert mit niedriger Geschwindigkeit ist (604) (0), dann wird die Größe des 4x-Zählerdeltas ausgewertet (610). Wenn das 4x-Zählerdelta gleich Null ist (610) (0), dann endet diese Iteration ohne weitere Aktion (640). Wenn das 4x-Zählerdelta nicht gleich Null ist (610) (1), wird das 4x-Zählungszeitintervall wie folgt verschoben: dT[k-1] = dT[k] und dT[k] = 0 (612), und diese Iteration endet (640).
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Wenn die Drehgeschwindigkeit Nrpm kleiner als der Schwellenwert mit niedriger Geschwindigkeit ist und das 4x-Zählerdelta (4xCntDelta) gleich Null ist (
604) (1), wird ein Tastverhältnis DR auf der Grundlage der Inkremente der 4x-Zählungszeitintervalle wie folgt berechnet (
620):
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Gleichung 1 zeigt die Berechnung eines speziellen Index für das Tastverhältnis in der Form eines Tastverhältnisses DR. Andere Tastverhältnis Indices können entwickelt und berechnet werden und zugehörige Schwellenwerte können innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung bestimmt werden. Die Begriffe „Tastverhältnis“ und „relative Einschaltdauer“ werden in dieser gesamten Beschreibung austauschbar verwendet.
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Die zugehörigen Ausdrücke werden dann für die nächste Iteration der Tastverhältnis-Validierungsroutine
600 wie folgt zurückgesetzt:
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Folglich wird das Tastverhältnis DR bestimmt, indem eine erste abgelaufene Zeitperiode zwischen einem ersten Satz von aufeinanderfolgenden Stromimpulsen überwacht wird, die entweder steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, welche in einem der Signalausgänge von der ersten und zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung, d.h. Signal A und Signal B, detektiert wurden, und indem eine zweite abgelaufene Zeitperiode zwischen einem zweiten Satz von aufeinanderfolgenden Stromimpulsen überwacht wird, die der entsprechenden steigenden oder fallenden Flanke zugeordnet sind, die in einem der Signalausgänge von der ersten und zweiten Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung detektiert wurden, und indem dann ein Tastverhältnis zwischen der ersten und zweiten abgelaufenen Zeitperiode berechnet wird.
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Bei erwarteten Betriebsbedingungen ist das Tastverhältnis DR gleich 1,0 in einer Ausführungsform, die ein Signal B 720 umfasst, dass mit Bezug auf das Signal A 710 um 90° einer Zahndrehung verschoben ist. Das Tastverhältnis DR wird ausgewertet, um festzustellen, ob es größer als1,0 ist (622), und wenn dem so ist, wird ein Kehrwert des Tastverhältnisses DR berechnet (624). Das resultierende Tastverhältnis wird mit einem Tastverhältnis-Schwellenwert verglichen (626). Der Tastverhältnis-Schwellenwert berücksichtigt vorzugsweise eine maximale Beschleunigungsrate des rotierenden Elements und wird auf deren Grundlage justiert, was dazu beiträgt, dass sich das 4x-Zählungsdelta verändert, wenn die Geschwindigkeit zunimmt oder abnimmt. Der Tastverhältnis-Schwellenwert kann außerdem nicht erwartete Fehler enthalten, die mit Änderungen der Geschwindigkeit des drehbaren Elements 15 verbunden sind, und er liegt in einer Ausführungsform in der Größenordnung von 0,20. Wenn das Tastverhältnis DR kleiner als der Tastverhältnis-Schwellenwert ist (626) (1), dann zeigt die Routine an, dass das Tastverhältnis ungültig ist (628) und diese Iteration endet (640). Wenn das Tastverhältnis DR größer als der Tastverhältnis-Schwellenwert ist (626) (0), dann zeigt die Routine an, dass das Tastverhältnis gültig ist (630) und diese Iteration endet (640).
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7 zeigt auf grafische Weise die Signale A 710, B 720 und den 4x-Zähler 730, welche analog zu den Signalen A 310, B 320 bzw. dem 4x-Zähler 330 sind, die mit Bezug auf 3 gezeigt sind. Eine Periode 745 umfasst eine Nenn-Vorwärtsdrehrichtung und eine Periode 755 umfasst eine Nenn-Rückwärtsdrehrichtung. Stromimpulse, die steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, die in einem der Signale A 710 oder B 720 detektiert wurden, treten zu Zeitpunkten 711, 712, 713 und 714 für eine Nenn-Vorwärtsdrehrichtung während der Periode 745 auf und werden verwendet, um abgelaufene Zeitperioden T[k] zu bestimmen, die einem 4x-Zählungszeitintervall zugeordnet sind. Auf ähnliche Weise treten Stromimpulse, die steigenden oder fallenden Flanken zugeordnet sind, die in einem der Signale A 710 oder B 720 detektiert werden, zu Zeitpunkten 721, 722, 723 und 724 für eine Nenn-Rückwärtsdrehrichtung während der Periode 755 auf und werden verwendet, um die abgelaufenen Zeitperioden T[k] zu bestimmen, die dem 4x-Zählungszeitintervall zugeordnet sind, das mit Bezug auf Schritt 602 von 6 beschrieben ist.
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Die Signale A 710, B 720 und der 4x-Zähler 730 werden bei Betriebsbedingungen erfasst, die zu einer gestörten Phasenbeziehung der Wellenformen führen. Dies wird angezeigt, wenn ein Zeitdelta zwischen aufeinanderfolgenden 4x-Impulsen nicht konstant ist. Dies wird auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einer ersten abgelaufenen Zeit zwischen den Zeitpunkten 711 und 712 und einer zweiten abgelaufenen Zeit zwischen den Zeitpunkten 712 und 713 in der Nenn-Vorwärtsdrehrichtung gezeigt. Dies wird auch auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einer ersten abgelaufenen Zeit zwischen den Zeitpunkten 721 und 722 und einer zweiten abgelaufenen Zeit zwischen den Zeitpunkten 722 und 723 in der Nenn-Rückwärtsdrehrichtung gezeigt. Unter Verwendung der abgelaufenen Zeit zwischen empfangenen 4x-Impulsen kann eine ungültige Phasenbeziehung detektiert werden, in dem ein Verhältnis von 4x-Zählungsflanken-Zeitdeltas berechnet wird und dieses mit einem Schwellenwert verglichen wird. Wenn das Verhältnis kleiner als der Schwellenwert ist, wird eine Geschwindigkeit von Null angezeigt und als Geschwindigkeitsausgabewert gesetzt. Der Schwellenwert berücksichtigt eine maximale Beschleunigungsrate des rotierenden Elements, was bewirken wird, dass sich das 4x-Zählungsdelta verändert, wenn die Geschwindigkeit während eines einzigen Meßzyklus zunimmt oder abnimmt.
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Die vorstehenden Steuerungsroutinen haben die Fähigkeit zum Detektieren einer Geschwindigkeit von Null demonstriert, die mit einem verriegelten drehbaren Element 15 verbunden ist. Wenn ein kleiner Geschwindigkeitswert berechnet wurde, dauerte er nur einen Ausführungszyklus lang an und seine Größe war zu klein, um irgendwelche Probleme zu verursachen. Darüber hinaus weisen die Steuerungsroutinen keine Auswirkung auf Berechnungen bei normaler Geschwindigkeit auf, sobald das drehbare Element 15 in der Lage war, von einer Geschwindigkeit von Null aus zu beschleunigen. Die Steuerungsroutinen ermöglichen die Detektion eines sich nicht drehenden drehbaren Elements 15, wenn Impulswellenformen von einem der Drehüberwachungssensoren aufgrund von Vibration und/oder Flankenspiel während eines Betriebs mit einer Geschwindigkeit von Null gestört sind, wobei sie außerdem eine normale Geschwindigkeits- und Positionsberechnung ermöglichen, wenn das drehbare Element 15 mit einer Beschleunigung von einer Geschwindigkeit von Null aus beginnt.
