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Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Sensoranordnung.
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Druckschrift
WO 2016/023769 A2 schlägt einen Drehzahlsensor vor, welcher eine Auflösungserhöhung bietet, wobei dieser Sensor bei der Erfassung des periodischen Musters eines Encoders ein Sinussignal und ein Cosinussignal jeweils mittels eine Sensorelements erzeugt, wobei aus diesen Signalen mittels einer Arkuscosinusfunktion ein Winkelsignal berechnet wird, welches mit 8Bit Auflösung quantisiert wird, wodurch der Sensor je erfasster Periode des Encoder 7 bzw. 8 Positions- bzw. Winkelinformationen bereitstellen kann. Eine Umsetzung der Signalverarbeitungseinrichtung dieses Sensors ist allerdings relativ aufwändig und teuer, besonders hinsichtlich der Arkuscosinusfunktion, außerdem benötigt die Berechnung des Winkelsignals relativ viel Zeit.
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Die
DE 695 09 434 T2 beschreibt eine Interpolationsschaltung. Die
US 2017/0336225 A1 beschreibt einen Magnetfeldsensor, wobei jedes Magnetfeldsignal eine Vielzahl von Magnetfeldsignalperioden aufweist, wenn sich das ferromagnetische Objekt bewegt. Die
DE 10 2015 213 572 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Drehzahlsensors, wobei in Abhängigkeit von einer ermittelten Drehzahl des Signalgeberrings wenigstens ein Zusatzdrehzahlinformationssignal erzeugt und dem Drehzahlinformationssignal hinzugefügt wird. Die
US 2016/0123770 A1 beschreibt einen Magnetfeldsensor, wobei das Sensorausgangssignal einen oder mehrere Zustände anzeigt, welches ein Fehlen einer normalen Drehung des Objekts, eine Richtungsänderung der Bewegung des Objekts und eine Vibration des Objekts umfassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Sensor vorzuschlagen, welcher relativ kostengünstig ist bzw. welcher eine relativ schnelle Signalverarbeitung aufweist bzw. mit einer relativ hohen Auflösung misst/erfasst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 bzw. durch einen Sensor zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Encoder, mit einem im Wesentlichen periodischen Maßstab und/oder Muster, und wenigstens einem Sensorelement, wobei der Geschwindigkeitssensor zumindest ein Sensorelement sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit des Sensorelementausgangssignals des Sensorelements ein Bewegungssignal bereitstellt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie zwei oder mehr Schaltschwellen hinsichtlich des Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei im Wesentlichen jeweils bei Über- und bei Unterschreiten einer Schaltschwelle durch, insbesondere die Amplitude, des Sensorelementausgangssignals eine Bewegungsinformation erzeugt wird, welche bei der Erzeugung des Bewegungssignals berücksichtigt wird.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung weist drei oder mehr Schaltschwellen, insbesondere 2N+1 Schaltschwellen, wobei N eine natürliche Zahl ist, insbesondere ist N=1 gewählt, hinsichtlich des zumindest einen Sensorelementausgangssignals auf, wobei eine dieser Schaltschwellen als Mittelwert-Schaltschwelle ausgelegt ist, so dass ihr Schwellwert im Wesentlichen dem Mittelwert des Sensorelementausgangssignals entspricht.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist so ausgebildet, dass in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinrichtung eine definierte Anzahl von, insbesondere mit einem zeitlich definierten Abstand aufeinanderfolgenden, Amplitudenwerten, dabei insbesondere Minima und/oder Maxima, des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals gespeichert werden, wonach/wobei in Abhängigkeit dieser gespeicherten Amplitudenwerte der Schwellwert wenigstens einer der Schaltschwellen angepasst wird.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie insbesondere kein funktionales Modell bzw. kein Modell der Signalgestalt gespeichert bzw. hinterlegt hat, sondern die letzte Nulldurchgangsintervallzeit erfasst und/oder berechnet wird, welche sich aus dem zeitlichen Abstand D des Auftretens der Bewegungsinformation aufgrund des zuletzt und vorletzt erfassten Über- und/oder Unterschreitens der Mittelwert-Schaltschwelle ergibt, und aus diesem zeitlichen Abstand für jede Schaltschwelle einen Schaltschwellenauftrittsvorhersagezeitpunkt bestimmt, insbesondere für 2N+ 1 mit N=1 Schaltschwellen liegen diese Zeitpunkt bei D/3 und 2D/3 nach dem jeweiligen Über- und/oder Unterschreitens der Mittelwert-Schaltschwelle, wonach fortlaufend zu diesen Schaltschwellenauftrittsvorhersagezeitpunkten für jede der Schaltschwellen die Amplitudenwerte in der Speichereinheit oder einer dafür zusätzlichen Speichereinheit, gespeichert werden, wobei aus diesen Amplitudenwerten für die jeweilige Schaltschwelle ein neuer Schwellwert berechnet wird und in der Speichereinheit gespeichert wird. Der Sensor ist vorzugsweise als Geschwindigkeitssensor und/oder Drehzahlsensor und/oder Winkelgeschwindigkeitssensor ausgebildet, insbesondere als Kurbelwellendrehzahlsensor oder Raddrehzahlsensor oder Getriebedrehzahlsensor oder Turboladerdrehzahlsensor.
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Bevorzugt wird unter einem Amplitudenwert der durch das wenigstens eine Sensorelement erfasste Wert des magnetischen Feldes, insbesondere ein Feldstärkewert oder ein davon abhängiger Wert oder ein Winkelwert des Felds, wobei dieser Wert durch das wenigstens eine Sensorelementausgangssignal bereitgestellt wird bzw. darin die Information dieses Wertes enthalten ist, verstanden. Zweckmäßigerweise wird unter dem Amplitudenwert auch der digitalisierte bzw. zu bestimmten Erfassungszeitpunkten erfasste und quantisierte Wert, verstanden.
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Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine Sensorelement eine Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken umfasst oder dass der Sensor zwei Sensorelemente aufweist, wobei die Halbbrücken oder die zwei Sensorelemente jeweils ein Sensorelementausgangssignal bereitstellen, welches der Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt wird und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgelegt ist, dass bei Über- und bei Unterschreiten einer jeweiligen Schaltschwelle durch das jeweilige Sensorelementausgangssignal einer der Halbbrücken oder eines der beiden Sensorelemente jeweils eine Bewegungsinformation erzeugt wird, welche bei der Erzeugung des Bewegungssignals berücksichtigt wird. Zweckmäßigerweise umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung dazu zwei Signalpfade.
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Insbesondere sind die beiden Halbbrücken oder die beiden Sensorelemente in dem Sensor so angeordnet, dass sie den periodischen Maßstab und/oder das Muster des Encoders mit einem Phasenversatz von im Wesentlichen 90° erfassen bzw. erfassen können. Besonders bevorzugt sind die Sensorelemente bzw. Halbbrücken so ausgebildet und/oder in dem Sensor angeordnet, dabei ganz besonders bevorzugt innerhalb der Sensoranordnung gegenüber dem Encoder so angeordnet und ausgerichtet, dass die Sensorelementausgangssignale der beiden Sensorelemente bzw. Halbbrücken im Wesentlichen einen sinusförmigen bzw. cosinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweisen mit einem Phasenversatz von im Wesentlichen 90° zueinander.
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Das wenigstens eine Sensorelement ist vorzugsweise als Magnetfeldsensorelement ausgebildet, insbesondere als AMR-, also als anisotrop magnetoresistives, oder Hall- oder GMR-, also als giant magnetoresistives bzw. auf dem Riesenmagnetowiderstandsprinzip beruhendes Sensorelement, oder TMR-Sensorelement, also als tunnel magnetoresistives Sensorelement ausgebildet.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass jede Schaltschwelle eine Hysterese umfasst.
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Es ist zweckmäßig, dass jede Schaltschwelle eine erste und eine zweite Teilschaltschwelle zur Bildung einer Hysterese umfasst, wobei die erste Teilschaltschwelle durch Überschreiten ausgelöst wird und die zweite Teilschaltschwelle durch Unterschreiten und/oder jede Schaltschwelle mittels eines Schmitt-Trigger Elements ausgebildet ist oder die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie hinsichtlich jeder Schaltschwelle eine Hysterese umfasst, welche sich im Wesentlichen wie ein Schmitt-Trigger Element verhält.
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Unter einem Schmitt-Trigger Element wird vorzugsweise ein analoger Komparator mit Mitkopplung verstanden, welcher als Vergleicher für zwei analoge Spannungssignale arbeitet und für diese Signale als Schwellenwertschalter funktioniert. Der Schmitt-Trigger weist dabei zwei Schwellwerte für eine Hysterese auf, einen oberen Schwellwert der bei Überschreitung durch das zu bewertende Spannungssignal, insbesondere ein Sensorelementausgangssignal, zu einem Schaltvorgang führt, insbesondere wird dabei ein maximaler bzw. ein definierter relativ großer Ausgangsspannungswert am Ausgangs des Schmitt-Triggers bereitgestellt, und einen unteren Schwellwert, welche bei Unterschreitung durch das zu bewertende Spannungssignal, insbesondere ein Sensorelementausgangssignal, zu einem Schaltvorgang führt, insbesondere wird dabei ein minimaler bzw. definierter relativ geringer Ausgangsspannungswert am Ausgang des Schmitt-Triggers bereitgestellt.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Sensor zwei Sensorelemente, die jeweils ein Sensorelementausgangssignal bereitstellen und jeweils einen Signalpfad in der Signalverarbeitungseinrichtung aufweisen. Dabei umfasst jeder der beiden Signalpfade insbesondere eine Hysterese, welche besonders bevorzugt zumindest durch ein Schmitt-Trigger Element oder eine im Wesentlichen gleichwirkende Schaltung verwirklicht ist, wobei dem jeweiligen Schmitt-Trigger Element jeweils eines der Sensorelementausgangssignale als zu bewertendes Spannungssignal eingangsseitig zugeführt wird und das jeweils andere Sensorelementausgangssignal invertiert als Vergleichssignal.
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Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird vorzugsweise eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine frei programmierbare Schaltung verstanden.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst bevorzugt einen Mikrokontroller welcher zumindest einige oder sämtlicher Berechnungen und/oder Signalerzeugungen und/oder Anpassungen der Schwellwerte der Schaltschwellen durchführt und entsprechend ausgelegt ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie selbstständig eine Anpassung der Schaltschwellen hinsichtlich des Schwellwerts durchführt, wobei diese Anpassung in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals erfolgt.
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Insbesondere wird dabei die Mittelwert-Schaltschwelle an einen arithmetischen Mittelwert des jeweiligen Betrags der gespeicherten Amplitudenwerte angepasst, wobei insbesondere einer oder mehrere der gespeicherten Amplitudenwerte verworfen werden vor der Bildung des arithmetischen Mittelwerts und/oder dass gleichviele Minima und Maxima der Beträge der gespeicherten Amplitudenwerte bei der Bildung des arithmetischen Mittelwerts berücksichtigt werden und/oder dass nach Bildung des arithmetischen Mittelwerts jeder der gespeicherten Amplitudenwerte oder deren Beträge und/oder der arithmetische Mittelwert mit einem definierten Faktor multipliziert wird/werden. Besonders bevorzugt ist die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet, dass darüber hinaus eine Anpassung der anderen Schaltschwellen erfolgt, abhängig von dem Abstand der jeweiligen Schaltschwelle zur Mittelwert-Schaltschwelle, welchen die Signalverarbeitungseinrichtung dabei berücksichtigt und/oder dass nach Berechnung des anzupassenden Werts der Mittelwert-Schaltschwelle die anderen Schaltschwellen angepasst werden.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung weist vorzugsweise eine Taktgebereinheit auf, welcher insbesondere als Oszillator ausgebildet ist und besonders bevorzugt wenigstens einen Transistor und zumindest ein Kapazitätselement aufweist. Zweckmäßigerweise umfasst die Taktgebereinheit keinen Quarzoszillator und keinen Keramikresonator.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in der Speichereinheit eine definierte Menge von, insbesondere letzten, Amplitudenwerten speichert, die zuletzt zu Erfassungszeitpunkten bzw. Abtastzeitpunkten, welche mittels der Taktgebereinheit bestimmt werden, in der Signalverarbeitungseinrichtung berechnet bzw. gemessen werden.
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Es ist bevorzugt, dass in der Signalverarbeitungseinrichtung ein funktionales Modell oder ein Modell der Signalgestalt, des üblicherweise zu erfassenden Signaltyps, beispielsweise einer Sinusfunktion, abgespeichert bzw. hinterlegt ist. Im Fall eines abgespeicherten oder hinterlegten funktionalen Modells erfolgt die Durchführung der Parameterbestimmung des funktionalen Modells mittels einer Parameterextraktion, welche beispielsweise in Form eines numerischen Algorithmus hinterlegt ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass aus einer definierten Menge der in der Speichereinheit verfügbaren Amplitudenwerte, insbesondere wird hinsichtlich dieser Werte noch eine Filterung bzw. Mittelwertbildung und/oder Gewichtung durchgeführt, mittels der Parameterextraktion Funktionsparameter berechnet werden, auf deren Basis neue Schwellwerte der Schaltschwellen, inklusive der Mittelwertschaltschwellen oder alternativ vorzugsweise ohne diese, berechnet werden und als Schwellwerte der entsprechenden Schaltschwellen abgespeichert und für die Messung und die Erzeugung des Bewegungssignals bzw. Sensorausgangssignals genutzt werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Offsetkompensation hinsichtlich des einen Sensorelements und/oder des Signalpfades innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung aufweist. Insbesondere ist die Signalverarbeitungseinrichtung dabei so ausgebildet, dass sie den/ einen Offset mindestens eines Verstärkerelements kompensiert und/oder dass sie eine Offsetkompensation mittels Ansteuerung wenigstens eines Verstärkerelements durchführt.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass aufgrund des Auftretens einer Bewegungsinformation jeweils ein Bewegungsimpuls definierter Länge und/oder ein Zusatzdatenimpuls oder eine Zusatzdatenimpulsfolge definierter Länge in dem Bewegungssignal erzeugt wird. Insbesondere umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung der Bewegungsimpulse definierter Länge und/oder eines Zusatzdaten- impulses oder einer Zusatzdatenimpulsfolge mindestens eine Stromquelle, besonders bevorzugt weist sie 3 Stromquellen für 3 definierte Strompegel, auf. Mit der mindestens einen Stromquelle wird das Bewegungssignal als Ausgangssignal des Sensors, in Form eines eingeprägten Stromsignals, erzeugt.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Modusumschalteinheit aufweist welche in Abhängigkeit einer durch den Sensor erfassten Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Drehzahl über einem definierten Geschwindigkeitswert die Signalverarbeitungseinrichtung in einen Normalbetriebsmodus versetzt oder belässt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in dem Normalbetriebsmodus ein Bewegungssignal bereitstellt, welches /in welchem nur bei Überschreiten und Unterschreiten der Mittelwert-Schaltschwelle jeweils einen Bewegungsimpuls mit einer definierten ersten Amplitude und definierter Zeitdauer erzeugt, welchem eine definierte Anzahl von Zusatzdatenimpulsen mit definierter zweiter Amplitude und definierter Zeitdauer folgen/ angehängt werden, wobei insbesondere neun Zusatzdatenimpulse dem Bewegungsimpuls folgen/ angehängt werden, wobei jeder Zusatzdatenimpuls eine andere Zusatzdateninformation, welcher der Sensor bereitstellt, codiert, wobei besonders bevorzugt oder alternativ vorzugsweise die Anzahl der folgenden/ angehängten Zusatzdatenimpulse von der erfassten Geschwindigkeit/ Drehzahl ab, ganz besonders bevorzugt werden nur solange, zweckmäßigerweise bei relativ hohen Geschwindigkeiten/ Drehzahlen, Zusatzdatenimpulse angehängt, bis ein neuer Bewegungsimpuls erzeugt wird oder in direkter, definierter maximaler zeitlicher Nähe erzeugt werden wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Modusumschalteinheit so ausgebildet, dass sie hinsichtlich der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eine Hysterese aufweist.
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Es ist zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Modusumschalteinheit aufweist welche in Abhängigkeit einer durch den Sensor erfassten Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Drehzahl unter einem definierten Geschwindigkeitswert die Signalverarbeitungseinrichtung in einen Sonderbetriebsmodus versetzt oder belässt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie in dem Sonderbetriebsmodus ein Bewegungssignal bereitstellt, welches/ in welchem nur bei Überschreiten und Unterschreiten der Mittelwert-Schaltschwelle jeweils einen Bewegungsimpuls mit einer definierten ersten Amplitude und definierter Zeitdauer erzeugt, welchem eine definierte Anzahl von Zusatzdatenimpulsen mit definierter zweiter Amplitude und definierter Zeitdauer folgen/ angehängt werden, wobei insbesondere neun Zusatzdatenimpulse dem Bewegungsimpuls folgen/ angehängt werden, wobei jeder Zusatzdatenimpuls eine andere Zusatzdateninformation, welcher der Sensor bereitstellt, codiert, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist , dass sie im Sonderbetriebsmodus bei Überschreiten und Unterschreiten der anderen Schaltschwellen, also Nicht-Mittelwert-Schaltschwellen, jeweils nur eine definierte Anzahl von Zusatzdatenimpulsen mit definierter zweiter Amplitude und definierter Zeitdauer erzeugt, wobei insbesondere neun Zusatzdatenimpulse dem Bewegungsimpuls erzeugt werden, wobei jeder Zusatzdatenimpuls eine andere Zusatzdateninformation, welcher der Sensor bereitstellt, codiert.
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Besonders bevorzugt umfassen die, insbesondere direkt aufeinander folgend erzeugten Zusatzdatenimpulse eine Positionsinformation bzw. Winkelinformation, besonders bevorzugt die Information, welche Schaltwelle gerade über- oder unterschritten wurde. Ganz besonders bevorzugt ist diese Information in dem 6., 7. und 8. Zusatzdatenimpuls codiert.
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Es ist zweckmäßig, dass die Codierung durch die Zusatzdatenimpulse binär ist.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Erzeugung des Bewegungsimpulses, insbesondere mit angehängten/ folgenden Zusatzdatenimpulsen, und/oder die Erzeugung einer definierten Anzahl an Zusatzdatenimpulsen, ohne Bewegungsimpuls, jeweils aufgrund einer Bewegungsinformation erfolgt.
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Vorzugsweise bildet das Bewegungssignal zumindest die Relativbewegung zwischen Encoder und Sensor bzw. dem mindestens einem Sensorelement ab. Insbesondere ist die Sensoranordnung so ausgelegt, dass der Sensor das Bewegungssignal an eine elektronische Kontrolleinheit überträgt, welche aus dem Bewegungssignal eine Geschwindigkeit /Drehzahl berechnet.
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Hinsichtlich der erfassten Geschwindigkeit/ Drehzahl zur Modusumschaltung ist es bevorzugt, dass der Sensor die Berechnung zur Modusumschaltung selbst vornimmt oder alternativ vorzugsweise dazu ein Modussignal von der elektronischen Kontrolleinheit empfängt.
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Das Geschwindigkeitssignal hängt bevorzugt zumindest von der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement ab und wird ausgangsseitig von dem Geschwindigkeitssensor, insbesondere an einer Zwei-Draht-Schnittstelle, bereitgestellt.
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Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird vorzugsweise eine Signalverarbeitungsschaltung verstanden.
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Unter dem Begriff Sensorelementausgangssignals wird zweckmäßigerweise das Ausgangssignal des wenigstens einen bzw. eines Sensorelements verstanden.
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Insbesondere ist es ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors, dass er eine gesteigerte Auflösung sowie eine Drehrichtungserkennung ermöglicht, was sehr vorteilhaft für automatisiertes Einparken eines Kraftfahrzeugs ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie eine Drehrichtung des erfassten Encoders bzw. dessen Muster/ Maßstabs erkennt bzw. bestimmt bzw. bestimmen kann. Dabei wird die Drehrichtung insbesondere aus dem Phasenversatz zwischen den beiden Sensorelementausgangssignalen bzw. dem sin-, und cos-Signal, bestimmt.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Amplitude größer/ höher ist, als die zweite Amplitude.
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Es ist bevorzugt, dass Signalverarbeitungseinrichtung und das mindestens eine Sensorelement auf einem Chip bzw. ASIC integriert sind.
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Der Sensor weist zweckmäßigerweise ein Kunststoffgehäuse auf, sowie zwei Anschlüsse als Schnittstelle zum Anschluss an eine elektronische Kontrolleinheit eines Kraftfahrzeugsteuer- bzw. Regelungssystems. Der Sensor ist insbesondere als aktiver Sensor ausgebildet und wird mit elektrischer Energie über diese Schnittstelle versorgt.
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Es ist zweckmäßig, dass nach einer definierten Zeit, insbesondere nach mindestens einer halben Periode des erfassten Signals, die neu berechneten Schwellwerte der Schaltschwellen für die Messung und zur Berechnung des Bewegungssignals genutzt werden. Besonders bevorzugt wird diese Anpassung und neue Berechnung der Schwellen nicht für die Mittelwert-Schaltschwellen genutzt und nur für einige definierte der restlichen Schaltschwellen, beispielsweise bei 2 Schaltschwellen für eine Schaltschwelle mit positiver Amplitude und eine Schaltschwelle mit negativer Amplitude.
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Es ist zweckmäßig, dass zur Bestimmung des zeitlichen Abstands D jeder neu berechnete Wert D gespeichert wird, zumindest für eine gewisse Zeit, und aus einer definierten Menge der zuletzt berechneten Werte von D mittels einer Filterung ein gefilterter Wert von D für die Bestimmung der Schaltschwellenauftrittsvorhersagezeitpunkte genutzt wird. Diese Filterung umfasst dabei insbesondere einen Tiefpass.
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Es ist zweckmäßig, dass zur Berechnung der neuen Schwellwerte der Schaltschwellen mehrere bzw. eine definierte Anzahl der zuletzt zu den Schaltschwellenauftrittsvorhersagezeitpunkten gespeicherten Amplitudenwerte gefiltert werden, insbesondere mittels eines Tiefpasses.
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Bevorzugt wird für die Bestimmung der Schaltschwellenauftrittsvorhersagezeitpunkte auf Basis des berechneten Wertes von D oder einer gefilterten definierten Menge von Werten D eine Beschleunigungsinformation und/oder eine Beschleunigungsänderungsinformation und/oder eine Beschleunigungsänderungsinformation höherer Ordnung berücksichtigt, wobei diese Beschleunigungsinformation und/oder Beschleunigungsänderungsinformation und/oder Beschleunigungsänderungsinformation höherer Ordnung auf einer vorher direkt berechneten letzten Beschleunigung oder Beschleunigungsänderung oder Beschleunigungsänderung höherer Ordnung beruht und/oder auf einer definierten Anzahl mehrerer zuletzt berechneter und gespeicherter Beschleunigungsinformationen bzw. Beschleunigungsänderungsinformationen bzw. Beschleunigungsänderungsinformationen höherer Ordnung, welche insbesondere gefiltert werden, besonders bevorzugt mittels eines Tiefpasses.
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Es ist bevorzugt, dass mit einer Formulierung, dass ein Wert/ eine Information gespeichert wird, diese/r in die Speichereinheit oder eine dazu zusätzliche/separate Speichereinheit gespeichert wird.
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Zweckmäßigerweise wird die Speicherung von Werten bzw. Informationen über einen oder mehrere Zähler in der Signalverarbeitungseinrichtung realisiert.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Sensoranordnung umfassend den erfindungsgemäßen Sensor sowie einen magnetischen, insbesondere permanentmagnetischen, Encoder mit einem im Wesentlichen periodischen Maßstab und/oder Muster.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors und/oder der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
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Es zeigen in schematischer Darstellung, beispielhaft die Figuren Ausführungsbeispiele der Sensoranordnung sowie von Signalverläufen des Sensors bzw. der Sensoranordnung.
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1 veranschaulicht einen beispielhaften Signalverlauf eines beispielhaften Sensors in dem Sonderbetriebsmodus, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung 2N+1 Schaltschwellen aufweist mit N=1:
- Die Mittelwert-Schaltschelle 4, ist aus dem Stand der Technik bekannt und verbreitet.
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Die beiden anderen Schaltschwellen 3 sind so angeordnet, dass über eine volle Periode des näherungsweise sinusförmigen Signals bzw. Sensorelementausgangssignals 6 Ereignisse bzw. Bewegungsinformationen generiert werden, wobei die Nennwinkel dieser Ereignisse bzw. den entsprechenden Bewegungsinformationen zugeordnet, äquidistant sind durch entsprechende Wahl der Schwellwerte und jeder Schwellwert bzw. jede Schaltschwelle zwei Mal pro Periode des Signals gekreuzt, also je über- und unterschritten wird.
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Die Nennwerte der Schaltschwellen liegen beispielhaft symmetrisch zum Mittelwert, durch die Mittelwert-Schaltschwelle beispielhaft gekennzeichnet.
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Die Schaltschwellen weisen jeweils eine Hysterese 5 auf, welche durch Schmitt-Trigger Elemente in der Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet werden. Die Schaltschwellen haben beispielhaft jeweils eine Hysterese, und damit einen leicht unterschiedlichen Wert bei Kreuzung von oben oder unten, bzw. Über- und Unterschreiten, zur Rauschunterdrückung. Beim Auftreten einer Bewegungsinformation aufgrund eines Über- oder Unterschreitens einer der Schaltschwellen, werden zwei unterschiedlichen Impulsfolgen erzeugt. Bei Über- oder Unterschreiten der Mittelwert-Schaltschwelle 4 wird jeweils ein Bewegungsimpuls 1 mit einer definierten Anzahl an angehängten Zusatzdatenimpulsen erzeugt und bei Über- oder Unterschreiten der anderen Schaltschwellen 3 wird jeweils nur eine definierte Anzahl an angehängten Zusatzdatenimpulsen erzeugt.
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Die jeweils 9 Zusatzdatenimpulse enthalten bzw. codieren eine Information in Form eines Datenworts, und dabei Bit5, Bit6, Bit7 welche der Schaltschwellen hinsichtlich ihr Schaltabfolge innerhalb des Durchlaufens des periodischen Signals, dem erfassten periodischen Encodermuster folgend. Bit2 codiert die Information über den Betriebsmodus.
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Tab.1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Datenpakete bzw. des Datenworts codiert durch die 9 Zusatzdatenimpulse. Diese Datenpakete bestehen aus 9 Bit und geben zusätzlich Auskunft über Fehler Bit0, Status Mode Bit1, Gültigkeit der Drehrichtung Bit3, Drehrichtung Bit4 und der Parität Bit8. Die Datenpakete werden binär übertragen.
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2 veranschaulicht den Aufbau der Sensoranordnung: Der Encoder (20) bewirkt durch sein periodisches Muster ein annähernd sinusförmiges Signal 24 am Ausgang eines Magnetfeldsensorelements 21. Magnetfeldsensorelementausgangssignal wird als Eingangssignal auf den Signalverarbeitungsblock 22 der Signalverarbeitungseinrichtung gegeben, der die 2N+1 Schmitt-Trigger bzw. Schaltschwellen mit jeweils einer Hysterese enthält, im Beispiel drei Stück, sowie die heuristische Einrichtung zur Anpassung der Schwellwerte der Schaltschwellen an Veränderungen der Amplitude oder des Mittelwerts des Signals 24. Am Ausgang befinden sich 2N+1 Signale 25, die als digitale Signale den Zustand des jeweiligen Schmitt-Triggers darstellen. Diese Signale werden an den Eingang des zweiten Signalverarbeitungsblocks 23 der Signalverarbeitungseinrichtung geleitet, der eine Digitalschaltung oder Softwarelösung enthält, mit der beispielgemäß eine Fehlerkorrektur vorgenommen wird und das Bewegungssignal als Ausgangssignal des Sensors, wie in 1 unten, dargestellt durch die verschiedenen Impulse bzw. Impulspakete 1 und 2 erzeugt wird.
3 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf. Im oberen Teil befindet sich das Signal (24, durchgezogene Linie) mit den drei Schaltschwellen (strichlierte Linien), die hier vereinfacht nur als einzelne Linien dargestellt sind, entsprechend den Linien 3 aus 1. Im unteren Teil befinden sich die Ausgangssignale 25 der Schmitt-Trigger Elemente (oben: obere; Mitte: mittlere;
unten: untere Schwelle). Die horizontale Achse entspricht der Zeit t in nicht näher bezeichneten Einheiten. Man kann erkennen, dass es einen bestimmten zeitlichen und logischen Zusammenhang zwischen den Signalen 25 gibt: Die Signalflanken müssen in einer bestimmten Reihenfolge auftreten und die Logikpegel sind
entsprechend verknüpft, z.B.: ist das obere Signal ,high', so müssen die beiden anderen Signale ebenfalls ,high' sein. Diese Zusammenhänge können zur Fehlerkorrektur verwendet werden. Beispielhaft enthält das Signal 24 in 3 eine Anomalie zwischen t = 3.5 und t = 4. Durch eine Verringerung der Amplitude wird der untere Schwellwert nicht erreicht. Dafür kann es verschiedene Gründe geben, z.B. Temperatur- oder Abstandsänderung Sensor-Encoder. Der Signalverarbeitungsblock 22 der Signalverarbeitungseinrichtung hat die Aufgabe bzw. ist so ausgelegt, dies durch seine Heuristik bzw. Anpassung der Schwellwerte der Schaltschwellen nach Möglichkeit zu vermeiden, jedoch gibt es möglicherweise gelegentlich Fälle, in denen dies nicht gelingt. Die Darstellung der Signale ist idealisiert, um die Fehlererkennung zu verdeutlichen. Gemessene Signale weisen stets eine Überlagerung verschiedener Fehlerarten auf, wobei die Änderungsraten der Fehler stark variieren. Zwischen t = 3.5 und t = 4 fehlen zwei Flanken des unteren Signals 25. Der Signalverarbeitungsblock 22 erkennt die Verletzung der Folge der Flanken als Fehler und kann die fehlenden Flanken am Ausgang ergänzen oder über das Protokoll eine Mitteilung über diese Situation geben. Zusätzlich oder alternativ kann auf der Empfängerseite, in einer elektronischen Kontrolleinheit, die Fehlersituation erkannt werden, weil zwei Datenworte, denen ein Impuls vorangeht, direkt aufeinander folgen.
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Als zusätzliche oder alternative Ausgestaltung des Sensors und seiner Signalverarbeitungseinrichtung sind folgende beispielhafte Ausführungen und Implementierungen beschrieben:
- Das Verfahren zur Bestimmung neuer Schwellwerte der Schaltschwellen, mit Ausnahme der Mittelwertschaltschwelle, in seiner elementarsten Form, d.h. mit Modell konstanter Geschwindigkeit und ohne Tiefpassfilterung, implementierungsunabhängig beschrieben:
- 1. Die Dauer D zwischen den zwei letzten mittleren Schaltschwellen wird gemessen. D hängt von der Geschwindigkeit ab.
- 2. Bei jeder mittleren Schaltschwelle wird nach der Zeit D/(2N+1) und allen Vielfachen dieser Zeit bis 2ND/(2N+1) oder bis die nächste mittlere Schaltschwelle erreicht wird, ein Erwartungswert für die nächste Schaltschwelle erreicht.
- 3. Zu diesen Zeitpunkten wird der momentane Messwert des Signals der Encoderabtastung gespeichert, um ihn als Vergleichswert für die entsprechende Schaltschwelle zu verwenden. Zu jeder Schaltschwelle außer der mittleren wird ein solcher Wert gespeichert.
- 4. Die Ausgangssignale für die obere und untere Schaltschwelle (sowie alle weiteren Schaltschwellen bei N>1, außer der mittleren) werden generiert, indem zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Wert des Signals der Encoderabtastung mit den gespeicherten Werten verglichen wird.
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In der weiteren Beschreibung dieses Beispiels werden indizierte Größen verwendet. Für eine Größe X bezeichnet dabei X(i) den letzten bekannten oder gemessenen Wert von X, X(i-1), X(i-2) usw. bezeichnen frühere Werte von X. Dies können der vorletzte und der vorvorletzte Wert von X sein, in einer weitergehenden Abstraktion können die Abstände in der Sequenz der Messungen jedoch auch höher sein, so dass jede Differenz von eins im Index einem festen, aber beliebigen Abstand in der Sequenz der Messungen entspricht.
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Erweiterung auf ein beispielhaftes Modell mit Berücksichtigung einer konstanten Beschleunigung:
- Es werden mindestens jeweils zwei Messwerte D(i) und D(i-1) für die Dauer D gespeichert. Die Differenz A = D(i) -D(i-1) hängt von der Beschleunigung ab. Anstelle des letzten Wertes von D wird bei den Schritten 2-4 des obigen Verfahrens ein um c*A erhöhter Wert D (i) +c*A verwendet, wobei c ein fester Koeffizient zur Skalierung ist.
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Erweiterung auf ein beispielhaftes Modell mit höherer Ordnung:
- Wenn das Modell konstanter Geschwindigkeit als Ordnung eins definiert wird und das Modell mit Berücksichtigung einer konstanten Beschleunigung als Ordnung zwei, so lässt sich ein Modell mit einer um jeweils eins erhöhten Ordnung definieren durch die Erfassung der Änderung der Größe, die beim Modell der nächstniedrigen Ordnung Berücksichtigung findet, jedoch nicht bei den niedrigeren Ordnungen. Die Änderung dieser Größe wird in gleicher Weise bestimmt wie die Beschleunigung als Änderung der Geschwindigkeit oben.
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Erweiterung durch Tiefpassfilterung:
- Jede der beschriebenen Möglichkeiten zur Tiefpassfilterung kann allein oder in jeder Kombination angewendet werden. Prinzip: Für jede Größe X, die im beschriebenen Verfahren benutzt wird, findet nicht der letzte ermittelte Wert X(i) Eingang in den entsprechenden Rechenschritt, sondern die Sequenz X(i), X(i-1), X(i-2) usw. wird an den Eingang eines Filters gebracht, der unter Bezug auf die im Vergleich zu X (i) älteren Werte X(i-1), X(i-2) usw. filtert. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von digitalen Filtern. Für X kommen in Frage: D, A, sowie weitere Größen, die mit höherer Ordnung die Änderung der Geschwindigkeit abbilden; ferner die gespeicherten Schaltschwellen.
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Das Verfahren in seiner elementarsten Form, d.h. mit Modell konstanter Geschwindigkeit und ohne Tiefpassfilterung, implementiert als Digitalschaltung:
- 1. Es gibt einen Zähler Z1, beispielgemäß nutzt dieser Zähler und alle weiteren Zähler die Taktgebereinheit, für die Dauer zwischen zwei mittleren Schaltschwellen. Er zählt mit der Frequenz f von Null aufwärts oder abwärts.
- 2. Jedes Erreichen der mittleren Schaltschwelle löst das Kopieren des Inhalts von Zähler Z1 in ein Register D aus, setzt den Zähler Z1 auf null und startet ihn erneut.
- 3. Zu jedem Zeitpunkt enthält das Register D den Wert des Zeitintervalls zwischen den zwei letzten mittleren Schaltschwellen. D hängt von der Geschwindigkeit ab.
- 4. Bei jeder mittleren Schaltschwelle startet ein anderer Zähler Z2 mit der Zählfrequenz (2N+1) f = 3f bei N = 1. Dieser Zähler Z2, zählt also dreimal schneller, wird durch Kopieren des Wertes des Registers D mit einem Startwert geladen und zählt abwärts oder aufwärts.
- 5. Jedes Mal, wenn der Zähler Z2 die Null, hier wird also der Zeitpunkt für die beiden mittleren Schaltschwellen um 60° verschoben, erreicht, wird er erneut mit dem Wert des Registers D als Startwert geladen und zählt abwärts, bis die nächste mittlere Schaltschwelle erreicht wird oder sich der Vorgang 2N-mal wiederholt hat (Halbperiode durch). Diese beiden Ereignisse beenden die Sequenz (5) und führen zu einer Fortsetzung bei (4) . Der Zähler Z3 (s.u.) bestimmt die Anzahl der Wiederholungen.
- 6. Jedes Mal, wenn der Zähler Z2 die Null erreicht, ist der momentane Zeitpunkt der Erwartungswert für das Erreichen der nächsten Schaltschwelle. Daher wird der momentane Messwert des Signals der Encoderabtastung gespeichert, um ihn als Vergleichswert für die entsprechende Schaltschwelle zu verwenden. Dabei gilt für
- a. N = 1: Über das Vorzeichen des Signals (im Sinne von größer oder kleiner als Mittelwert) kann unterschieden werden, um welche der beiden Schaltschwellen es sich gerade handelt. Hier sind zwei Varianten möglich: Jede Schaltschwelle kann unabhängig von der anderen behandelt werden, keine Symmetrie vorausgesetzt im Rechenmodell, oder die nicht aktuelle Schaltschwelle wird ebenfalls aktualisiert, Symmetrie im Rechenmodell wird vorausgesetzt, indem sie auf einem Wert gesetzt wird, der sich durch gleichen Abstand zum Mittelwert ergibt. Hier sind es beispielgemäß zwei Schwellen, „eine“ oben „eine“ unten"- das folgt aus N=1.
- b. N>1: Zusätzlich wird in einem Zähler Z3 die Anzahl der Nulldurchläufe des Zählers Z2 seit der letzten mittleren Schaltschwelle gezählt. Aus dem Stand von Z3 und über das Vorzeichen (s.o.) kann dann die richtige Schaltschwelle ausgewählt werden, um das Signal der Encoderabtastung zu speichern. Dabei ist es ebenfalls optional möglich, dass Schaltschwellen, die symmetrisch zur mittleren Schaltschwelle liegen, zusammen aktualisiert werden, indem ein symmetrischer Verlauf des Signals der Encoderabtastung angenommen wird, d.h. entsprechende Schaltschwellen oberhalb und unterhalb der mittleren Schaltschwelle sind stets gleich weit von dieser entfernt.
- 7. Die Ausgangssignale für die obere und untere Schaltschwelle (sowie alle weiteren Schaltschwellen außer der mittleren bei N>1) werden generiert, indem zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Wert des Signals der Encoderabtastung mit den in (6) gespeicherten Werten verglichen wird, damit ist beispielgemäß gemeint, die 2 N+1 digitalen Signale zu generieren, diese Signal kommen in die Sequenz zur „Zeitbetrachtung“ der zwei Schwellen.
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Die Zählfrequenz f muss weder bekannt noch langzeitstabil sein, da sie nur zur Bildung von Bruchteilen der Dauer zwischen zwei mittleren Schaltschwellen verwendet wird. Daher wird kein hochwertiger Oszillator für diese Frequenz benötigt, insbesondere kann ein Oszillator verwendet werden, der sich ohne externe Bauteile auf einem ASIC integrieren lässt. Quarze oder Keramikresonatoren werden nicht benötigt.
