DE102020216348A1 - Speed sensor with a multi-level protocol - Google Patents
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Abstract
Sensor (1) zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Encoder (2), mit einem im Wesentlichen periodischen Maßstab und/oder Muster, und dem Sensor (1),wobei der Sensor (1) zumindest ein Sensorelement (11, 12) sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung (13) aufweist, wobei dieSignalverarbeitungseinrichtung (13) so ausgebildet ist, dass sie in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten und einem zweiten Sensorelementausgangssignal (S1, S2) des zumindest einen Sensorelements (11, 12) jeweils ein Bewegungssignal (S3, S4) bereitstellt, wobeidie Signalverarbeitungseinrichtung (13) so ausgelegt ist, dass sie jeweils wenigstens eine Schaltschwelle hinsichtlich des wenigstens ersten und zweiten Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei im Wesentlichen jeweils bei Über- und/oder bei Unterschreiten der wenigstens einen Schaltschwelle durch das jeweilige Sensorelementausgangssignal (S1, S2) eine Bewegungsinformation (S3, S4) erzeugt wird, wonach die Bewegungsinformationen (S3) basierend auf dem ersten Sensorelementausgangssignal (S1) jeweils gewichtet mit den Bewegungsinformationen (S4) basierend auf dem zweiten Sensorelementausgangssignal (S2) kombiniert werden, wodurch ein gewichtetes Bewegungssignal (S5) mit wenigstens drei definierten Signalpegeln erzeugt wird, wonach in Abhängigkeit des gewichteten Bewegungssignals (S5) ein Sensorausgangssignal (S5) vom Sensor bereitgestellt wird.Sensor (1) for detecting relative movements between an encoder (2), with an essentially periodic scale and/or pattern, and the sensor (1), the sensor (1) having at least one sensor element (11, 12) and a signal processing device (13), wherein the signal processing device (13) is designed in such a way that it provides a movement signal (S3, S4) in each case as a function of at least one first and one second sensor element output signal (S1, S2) of the at least one sensor element (11, 12), wherein the signal processing device (13) is designed in such a way that it has at least one switching threshold with regard to the at least first and second sensor element output signal, with a Movement information (S3, S4) is generated, after which the movement information (S3) based on the first sensor element output signal (S1), each weighted, are combined with the movement information (S4) based on the second sensor element output signal (S2), whereby a weighted movement signal (S5) with at least three defined signal levels is generated, after which, depending on the weighted movement signal (S5), a Sensor output signal (S5) is provided by the sensor.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a sensor according to the preamble of
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Sensor vorzuschlagen, welcher relativ kostengünstig und/oder robust und/oder präzise messend ist und/oder welcher eine relativ hohe Auflösung ermöglicht und/oder eine Dreh- bzw. Bewegungsrichtungsinformation bereitstellen kann bei relativ geringem Schaltungsaufwand.The invention is based on the object of proposing a sensor which is relatively inexpensive and/or robust and/or measures precisely and/or which enables relatively high resolution and/or can provide information on the direction of rotation or movement with relatively little circuit complexity.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Sensor gemäß Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by the sensor according to
Der Sensor ist bevorzugt so ausgebildet, dass er den Drehwinkel bzw. die Wegstrecke einer relativen Bewegung zwischen Encoder und Sensor erfasst.The sensor is preferably designed in such a way that it detects the angle of rotation or the distance of a relative movement between the encoder and the sensor.
Der Sensor ist vorzugsweise als Geschwindigkeitssensor und/oder Drehzahlsensor und/oder Winkelgeschwindigkeitssensor ausgebildet, insbesondere als Kurbelwellendrehzahlsensor oder Raddrehzahlsensor oder Getriebedrehzahlsensor oder Turboladerdrehzahlsensor.The sensor is preferably designed as a speed sensor and/or rpm sensor and/or angular velocity sensor, in particular as a crankshaft rpm sensor or wheel rpm sensor or transmission rpm sensor or turbocharger rpm sensor.
Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine Sensorelement eine Brückenschaltung mit mindestens zwei Halbbrücken umfasst oder dass der Sensor mindestens zwei Sensorelemente aufweist, wobei die mindestens Halbbrücken oder die mindestens 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 der beiden Sensorelementbewegungssignale berücksichtigt bzw. für deren Erzeugung maßgeblich sind wird. Zweckmäßigerweise umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung dazu mindestens zwei Signalpfade.It is preferred that the at least one sensor element comprises a bridge circuit with at least two half bridges or that the sensor has at least two sensor elements, the at least half bridges or the at least two sensor elements each providing a sensor element output signal which is fed to the signal processing device and the signal processing device being designed in this way is that when the respective sensor element output signal of one of the half-bridges or one of the two sensor elements exceeds or falls below a respective switching threshold, movement information is generated which is taken into account in the generation of the two sensor element movement signals or is decisive for their generation. For this purpose, the signal processing device expediently comprises at least two signal paths.
Bevorzugt sind die Sensorelemente bzw. Halbbrücken so ausgebildet und/oder in dem Sensor angeordnet, dabei besonders bevorzugt innerhalb der Sensoranordnung gegenüber dem Encoder so angeordnet und ausgerichtet, dass die Sensorelementausgangssignale der mindestens beiden Sensorelemente bzw. Halbbrücken im Wesentlichen einen sinusförmigen bzw. cosinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweisen , ganz besonders bevorzugt mit einem Phasenversatz von im Wesentlichen 90° zueinander.The sensor elements or half-bridges are preferably designed and/or arranged in the sensor, particularly preferably arranged and aligned within the sensor arrangement relative to the encoder in such a way that the sensor element output signals of the at least two sensor elements or half-bridges essentially have a sinusoidal or cosinusoidal time profile have, very particularly preferably with a phase shift of substantially 90 ° to each other.
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.The at least one sensor element is preferably designed as a magnetic field sensor element, in particular as an AMR, i.e. as anisotropic magnetoresistive, or Hall or GMR, i.e. as giant magnetoresistive or sensor element based on the giant magnetoresistance principle, or TMR sensor element, i.e. as tunnel magnetoresistive sensor element .
Der Encoder, mit einem im Wesentlichen periodischen Maßstab und/oder Muster, ist bevorzugt als permanentmagnetisierter Encoder ausgebildet, insbesondere umlaufed aufweisend alternierend magnetisierte Poolpaare oder alternativ vorzugsweise als ferromagnetischer Zahnradencoder.The encoder, with an essentially periodic scale and/or pattern, is preferably embodied as a permanently magnetized encoder, in particular having circumferentially alternately magnetized pool pairs, or alternatively preferably as a ferromagnetic gearwheel encoder.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass jede Schaltschwelle eine Hysterese umfasst.The signal processing device is preferably designed in such a way that each switching threshold includes a hysteresis.
Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird vorzugsweise eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine frei programmierbare Schaltung verstanden.A signal processing device is preferably understood to mean a signal processing circuit and/or a freely programmable circuit.
Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst bevorzugt einen Mikrokontroller bzw. eine elektronische Schaltung mit definierter bzw. festgelegter Logik und/oder Signalverarbeitungsprozessen , welche/r zumindest einige oder sämtlicher Berechnungen und/oder Signalerzeugungen und/oder Anpassungen der Schwellwerte der Schaltschwellen durchführt und entsprechend ausgelegt ist.The signal processing device preferably includes a microcontroller or an electronic circuit with defined or established logic and/or signal processing processes, which performs at least some or all of the calculations and/or signal generation and/or adjustments to the threshold values of the switching thresholds and is designed accordingly.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das gewichtete Bewegungssignal als Sensorausgangssignal vom Sensor bereitgestellt wird.The signal processing device is preferably designed in such a way that the weighted movement signal is provided by the sensor as a sensor output signal.
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.The sensor expediently has a plastic housing and two connections as an interface for connection to an electronic control unit of a motor vehicle control or regulation system. The sensor is designed in particular as an active sensor and is supplied with electrical energy via this interface.
Es ist bevorzugt, dass die durch den Sensor erfasste Drehrichtung des Encoders als Drehrichtungsinformation in dem gewichteten Bewegungssignal codiert ist und das gewichtete Bewegungssignal dabei mindestens drei, insbesondere vier, definierte Signalpegel aufweist. Besonders bevorzugt ist die Drehrichtungsinformation in der Änderung zwischen den Signalpegeln des gewichteten Bewegungssignals codiert.It is preferred that the direction of rotation of the encoder detected by the sensor is coded as direction of rotation information in the weighted motion signal and the weighted motion signal has at least three, in particular four, defined signal levels. The direction of rotation information is particularly preferably encoded in the change between the signal levels of the weighted motion signal.
Es ist zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie zwei oder mehr Schaltschwellen hinsichtlich des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei im Wesentlichen jeweils bei Über- und/oder bei Unterschreiten jeder Schaltschwelle durch das jeweilige Sensorelementausgangssignal eine Bewegungsinformation erzeugt wird, welche bei der Erzeugung eines Sensorelementbewegungssignals in Abhängigkeit jedes Sensorelementausgangssignals berücksichtigt wird, wonach durch gewichtete Kombination und/oder Überlagerung der beiden Sensorelementbewegungssignale das gewichtete Bewegungssignal (S5) erzeugt wird. Dadurch werden insbesondere bei erhöhter Auflösung mehr Signalpegeländerungen hinsichtlich mehr kombinierter Bewegungssignale bereitgestellt.It is expedient for the signal processing device to be designed in such a way that it has two or more switching thresholds with regard to the low has at least one sensor element output signal, with movement information being generated essentially when the respective sensor element output signal exceeds and/or falls below each switching threshold, which is taken into account when generating a sensor element movement signal as a function of each sensor element output signal, after which weighted combination and/or superimposition of the both sensor element movement signals the weighted movement signal (S5) is generated. This provides more signal level changes in terms of more combined motion signals, particularly with increased resolution.
Der Sensor ist vorzugsweise als Geschwindigkeitssensor ausgebildet ist, insbesondere als Raddrehzahlsensor.The sensor is preferably designed as a speed sensor, in particular as a wheel speed sensor.
Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das gewichtete Bewegungssignal und/oder das Sensorausgangssignal als Stromsignal ausgebildet ist.It is preferred that the signal processing device is designed in such a way that the weighted movement signal and/or the sensor output signal is designed as a current signal.
Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das gewichtete Bewegungssignal so erzeugt wird, dass eines der beiden Sensorelementbewegungssignale mit im Wesentlichen doppeltem Signalpegel und das andere der Sensorelementbewegungssignale mit einfachem Signalpegel überlagert und/oder kombiniert werden zur Erzeugung des gewichteten Bewegungssignals.It is preferred that the signal processing device is designed in such a way that the weighted movement signal is generated in such a way that one of the two sensor element movement signals with a substantially double signal level and the other of the sensor element movement signals with a single signal level are superimposed and/or combined to generate the weighted movement signal.
Es ist bevorzugt, dass die Dauer eines einer Bewegungsinformation zugeordneten Signalabschnitts eines Sensorelementbewegungssignals, insbesondere mit im Wesentlichen definiertem Signalpegel, direkt und insbesondere ausschließlich, abhängig ist von der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Encoder und Sensor.It is preferred that the duration of a signal section of a sensor element movement signal associated with movement information, in particular with a substantially defined signal level, is directly and in particular exclusively dependent on the speed of the relative movement between encoder and sensor.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie keine eigenständige Bewertung der Geschwindigkeit/ Drehzahl zwischen Encoder und Sensor vornimmt.The signal processing device is preferably designed in such a way that it does not independently evaluate the speed/rotational speed between encoder and sensor.
Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie keine eigenständige Bewertung der Drehrichtung/Bewegungsrichtung des Encoders relativ zum Sensor vornimmt.It is preferred that the signal processing device is designed in such a way that it does not independently evaluate the direction of rotation/direction of movement of the encoder relative to the sensor.
Es ist zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung ein Zusatzsignal, mit insbesondere definiertem Signalpegel und/oder definiertem zeitlichen Signalsignalverlauf und/oder Signaldauer, bereitstellt und/oder verarbeitet, wobei zur Erzeugung des gewichteten Bewegungssignals dieses Zusatzsignal zusätzlich zu den Sensorelementbewegungssignalen mit überlagert/kombiniert wird.It is expedient for the signal processing device to provide and/or process an additional signal, in particular with a defined signal level and/or a defined temporal signal signal curve and/or signal duration, with this additional signal being superimposed/combined in addition to the sensor element movement signals to generate the weighted movement signal.
Der Sensor ist bevorzugt so ausgebildet, dass er zur Erfassung von Drehbewegungen und/oder Linearbewegungen des Encoders relativ zum Sensor geeignet ist.The sensor is preferably designed in such a way that it is suitable for detecting rotary movements and/or linear movements of the encoder relative to the sensor.
Der Sensor umfasst bevorzugt ein Sensorelement mit wenigstens zwei Halbbrücken, die das erste und das zweite Sensorelementausgangssignal erzeugen. Alternativ umfasst der Sensor zumindest ein erstes und ein zweites Sensorelement, welche das erste und das zweite Sensorelementausgangssignal erzeugenThe sensor preferably includes a sensor element with at least two half bridges that generate the first and the second sensor element output signal. Alternatively, the sensor comprises at least a first and a second sensor element, which generate the first and the second sensor element output signal
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass keine zeitliche Codierung bzw. keine definierte feste Zeitdauer der Bewegungsinformationen bzw. des jeder Bewegungsinformation zugeordneten Signalsabschnitts/ Signalintervalls mit definiertem Pegel erfolgt.The signal processing device is preferably designed in such a way that there is no time coding or no defined fixed time duration of the movement information or of the signal section/signal interval assigned to each movement information with a defined level.
Unter dem einem Signalpegel wird vorzugsweise ein Signalwert und/oder eine Amplitude bzw. ein Amplitudenwert verstanden.One signal level is preferably understood to mean a signal value and/or an amplitude or an amplitude value.
Unter einer Drehrichtung wird vorzugsweise eine Bewegungsrichtung verstanden. Unter der Bewegungsrichtung wird insbesondere die relative Bewegungsrichtung zwischen Encoder und Sensor verstanden.A direction of rotation is preferably understood to mean a direction of movement. The direction of movement is understood to mean, in particular, the relative direction of movement between encoder and sensor.
Das Sensorelementausgangssignal ist vorzugsweise das Ausgangssignal des Sensorelements selber oder ein daraus direkt erzeugtes Rechtecksignal bzw. im Wesentlichen Rechtecksignal, insbesondere mittels wenigstens einerVerstärkerschaltung und/oder Schmitttriggerschaltung erzeugt.The sensor element output signal is preferably the output signal of the sensor element itself or a square-wave signal generated directly therefrom or essentially a square-wave signal, in particular generated by means of at least one amplifier circuit and/or Schmitt trigger circuit.
Der Sensor hat vorzugsweise den Vorteil bzw. die Eigenschaft, dass je höher die Geschwindigkeit bzw. je schneller die Relativbewegung zwischen Sensor und Encoder ist, desto schneller treten die Pegel bzw. Pegeländerungen in der Signalverarbeitungseinrichtung auf.The sensor preferably has the advantage or the property that the higher the speed or the faster the relative movement between the sensor and the encoder, the faster the levels or level changes occur in the signal processing device.
Vorteilhafterweise ist keine Decodierung der zeitlichen Länge der Bewegungssignale erforderlich in einer Kontrolleinheit, an welcher den Sensor angeschlossen ist. Vorteilhafterweise gibt es seitens des Protokoll strukturell keine Geschwindigkeitslimitierung der Relativbewegung zwischen Encoder und Sensor. Der Sensor ist vorteilhafterweise für eine hochauflösende Erfassung der Bewegung bzw. Geschwindigkeit zwischen Encoder und Sensor geeignet und ist gleichzeit geeignet stets eine Drehrichtungsinformation bzw. Bewegungsrichtungsinformation des Encoders bereitzustellen.Advantageously, no decoding of the length of time of the movement signals is required in a control unit to which the sensor is connected. Advantageously, the protocol does not structurally limit the speed of the relative movement between encoder and sensor. The sensor is advantageously suitable for high-resolution detection of the movement or speed between the encoder and the sensor and is at the same time suitable for always providing information about the direction of rotation or information about the direction of movement of the encoder.
Das Sensorausgangssignal ist zweckmäßigerweise ein Stromsignal, insbesondere mit einem eingeprägten Strom oder alternativ vorzugsweise ein Spannungssignal.The sensor output signal is expediently a current signal, in particular with an impressed current, or alternatively preferably a voltage signal.
Ein an den Sensor angeschlossenes Steuergerät bzw. eine elektronische Kontrolleinheit bzw. eine ECU decodiert vorzugsweise aus dem Sensorausgangssignal eine Drehrichtungsinformation und eine Geschwindigkeitsinformation, insbesondere hinsichtlich jeder Pegeländerung des Sensorausgangssignals.A control unit or an electronic control unit or an ECU connected to the sensor preferably decodes information about the direction of rotation and information about speed from the sensor output signal, in particular with regard to each level change in the sensor output signal.
Es zeigen in schematischer Darstellung
-
1 ein Ausführungsbeispiel des Sensors, welcher an ein Steuergerät angeschlossen ist, -
2 und3 beispielhafte Signalverläufe des Sensors.
-
1 an embodiment of the sensor, which is connected to a control unit, -
2 and3 example signal curves of the sensor.
Anhand der
Anhand der
Also beispielhafte Signalpegel sind möglich: So example signal levels are possible:
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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