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Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß Obergriff von Anspruch 1.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Sensor vorzuschlagen, welcher relativ präzise Relativbewegungen zwischen einem Encoder und einem Sensorelement erfassen kann, insbesondere mit einer relativ hohen Auflösung, und/oder welche relativ kostengünstig ist und/oder dessen Ausgangssignal gut für eine Geschwindigkeitsmessung in unterschiedlichen Geschwindigkeitsintervallen nutzbar ist und/oder der relativ zuverlässig bzw. robust ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem Sensor nach Anspruch 1.
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Der Erfindung liegt vorzugsweise der Gedanke zu Grunde, einen Sensor vorzuschlagen, wobei der Sensor zur Erfassung von Relativbewegungen zwischen einem Encoder, mit einem im Wesentlichen periodischen Maßstab und/oder Muster, und wenigstens einem Sensorelement, ausgebildet ist,
wobei der Sensor 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 wenigstens einen Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei im Wesentlichen jeweils bei Über- und/oder bei Unterschreiten einer Schaltschwelle durch das Sensorelementausgangssignal eine Bewegungsinformation erzeugt wird, welche bei der Erzeugung des Bewegungssignals berücksichtigt wird, wobei
die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie bei Auftreten einer Bewegungsinformation jeweils einen Bewegungsimpuls definierter Zeitdauer in dem Bewegungssignal erzeugt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie im Wesentlichen eine Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement selbstständig bewertet und/oder berechnet und die definierte Zeitdauer der Bewegungsinformation und/oder des Bewegungsimpulses abhängig ist vom Überschreiten und/oder Unterschreiten zumindest einer ersten Grenzgeschwindigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement.
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Der Sensor ist bevorzugt so ausgebildet, dass er den Drehwinkel bzw. die Wegstrecke bzw. Winkel bzw. Strecke einer relativen Bewegung zwischen Encoder und Sensorelement erfasst. 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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Mit der Geschwindigkeit der letzten Bewegungsinformation oder der Referenz auf diese Geschwindigkeit ist bevorzugt gemeint, dass die Signalverarbeitungseinrichtung im Wesentlichen bei Erzeugung jeder Bewegungsinformation die Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement, als Geschwindigkeit, selbstständig bewertet und/oder berechnet auf Basis des zeitlichen Auftretens dieser letzten Bewegungsinformationen und einer oder mehrerer davor aufgetretener Bewegungsinformationen, insbesondere in definierter Weise gefiltert.
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Unter der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement ist alternativ vorzugsweise eine Relativbewegung bzw. eine Relativdrehwinkeländerung bzw. eine Relativstreckenänderung, zwischen Encoder und Sensorelement verstanden.
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Mit der Dauer des Bewegungsimpulses wird vorzugsweise die Länge dieses Impulses verstanden.
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Unter einem Bewegungsimpuls wird bevorzugt im Wesentlichen ein elektrisches Rechtecksignal, insbesondere mit zwei Signalleveln, verstanden.
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Die zweite Grenzgeschwindigkeit ist zweckmäßigerweise höher als die erste Grenzgeschwindigkeit.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung drei oder mehr Schaltschwellen, insbesondere 2N+1 Schaltschwellen, wobei N eine natürliche Zahl ist, insbesondere ist N=1 gewählt, hinsichtlich des zumindest einen Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei eine dieser Schaltschwellen als Mittelwert-Schaltschwelle ausgelegt ist, so dass ihr Schwellwert im Wesentlichen dem Mittelwert des Sensorelementausgangssignals entspricht.
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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 zwei 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 des Bewegungssignals berücksichtigt wird. Zweckmäßigerweise umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung dazu wenigstens zwei Signalpfade.
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Insbesondere sind die mindestens beiden Halbbrücken oder die mindestens 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. Im Fall von drei Halbbrücken oder drei Sensorelementen wird der periodische Maßstab und/oder das Muster des Encoders mit einem Phasenversatz von im Wesentlichen 60° bzw. 120° erfasst. 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 mindestens beiden Sensorelemente bzw.
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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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Unter einer Signalverarbeitungseinrichtung wird vorzugsweise eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine frei programmierbare Schaltung verstanden.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst bevorzugt einen Mikrokontroller bzw. eine elektronische Schaltung mit definierter bzw. festgelegter Logik bzw. fest programmierter Ablaufsteuerung 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.
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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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Die Signalverarbeitungseinrichtung umfasst zweckmäßigerweise mehrere Speicherelement bzw. wenigstens einen Speicher zur Speicherung von Daten bzw. Werten bzw. dabei insbesondere zur Speicherung definierter Dauer der Bewegungsimpulse bzw. zur Speicherung der Schaltschwellen und/oder Referenzgeschwindigkeiten.
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Es ist bevorzugt, dass das Geschwindigkeitssignal bzw. Bewegungssignal bzw. Winkel-/Drehwinkelsignal als Ausgangssignal des Sensors zumindest von der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement abhängt, zumindest hinsichtlich des Auftretens der Bewegungsimpulse in diesem Geschwindigkeitssignal und wird ausgangsseitig von dem Sensor, 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 Sensorelementausgangssignal wird zweckmäßigerweise das Aufgangssignal des wenigstens einen bzw. eines Sensorelements verstanden.
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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 bevorzugt, dass aufgrund des Auftretens einer Bewegungsinformation jeweils ein Bewegungsimpuls definierter Zeitdauer in dem Bewegungssignal erzeugt wird, wobei die Zeitdauer des Bewegungsimpulses wenigstens eine der folgenden Informationen codiert, insbesondere eindeutig,
Vor- oder Rückwärtsrichtung der Relativbewegung zwischen Encoder und Sensorelement und/oder das Vorliegen eines Fehlers und/oder das Überschreiten und/oder Unterschreiten zumindest einer ersten Grenzgeschwindigkeit.
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Es ist zweckmäßig, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie das Überschreiten und/oder Unterschreiten zumindest einer ersten und einer zweiten Grenzgeschwindigkeit bewertet und/oder berechnet.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei Unterschreiten und/oder nicht Überschreiten der ersten Grenzgeschwindigkeit der letzten Bewegungsinformation in einem Hochauflösungsmodus des Sensors die nächste Bewegungsinformation erzeugt, bei Über- und/oder bei Unterschreiten von zwei oder mehr Schaltschwellen hinsichtlich des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals,
wobei
die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Überschreiten und/oder nicht Unterschreiten der ersten Grenzgeschwindigkeit der letzten Bewegungsinformation, und insbesondere bei Unterschreiten und/oder nicht Überschreiten der zweiten Grenzgeschwindigkeit der letzten Bewegungsinformation, die nächste Bewegungsinformation in einem Geringauflösungsmodus des Sensors erzeugt, bei Über- oder bei Unterschreiten von zwei oder mehr Schaltschwellen hinsichtlich des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals oder bei Über- und/oder bei Unterschreiten bezüglich weniger Schaltschwellen, als im Fall des Unterschreitens und/oder nicht Überschreitens der ersten Grenzgeschwindigkeit der letzten Bewegungsinform ation.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie bei Auftreten einer Bewegungsinformationen den jeweiligen Bewegungsimpuls so erzeugt, dass in seiner Zeitdauer, insbesondere eindeutig, eine oder mehrere der folgenden Informationen codiert sind,
Vor- oder Rückwärtsrichtung der Relativbewegung zwischen Encoder und Sensorelement und/oder
das Vorliegen eines Fehlers und/oder
ob der Sensor sich aktuell im Hochauflösungsmodus oder im Geringauflösungsmodus befindet oder bei Überschreiten oder nicht Unterschreiten der zweiten Grenzgeschwindigkeit.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie für alle Kombinationen der Informationspaare
Vor- oder Rückwärtsrichtung der Relativbewegung zwischen Encoder und Sensorelement und/oder
das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Fehlers und/oder
ob der Sensor sich aktuell im Hochauflösungsmodus oder im Geringauflösungsmodus befindet,
eingerichtet ist einen Bewegungsimpuls mit einer eindeutigen definierten Dauer, zur Codierung der aktuellen Informationen der jeweilen Informationspaare zu erzeugen und insbesondere einer weiteren eindeutigen definierten Dauer zur Codierung der Überschreitung oder nicht Unterschreitung der zweiten Grenzgeschwindigkeit und/oder insbesondere einer weiteren eindeutigen definierten Dauer zur Codierung einer nicht erfassten Relativbewegung zwischen Encoder und Sensorelement, welche nach einer definierten Zeit zur Identifikation eines Stillstandes erzeugt wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das Überschreiten und/oder Unterschreiten jeder Schaltschwelle hinsichtlich des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals mit einer Hysterese versehen ist und/oder dass das Beurteilen bzw. Berechnen der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensorelement hinsichtlich der ersten und/oder zweiten Grenzgeschwindigkeit mit einer Hysterese versehen ist. Insbesondere sind zur Verwirklichung der Hysterese jeweils zwei Hystereseschwellen pro Schaltschwelle ausgebildet.
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Es ist bevorzugt, dass der Sensor als Geschwindigkeitssensor, insbesondere als Raddrehzahlsensor ausgebildet ist.
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Unter einem Fehler wird vorzugsweise ein interner Sensorfehler oder ein nicht akzeptabler bzw. zu großer Luftspalt zwischen Sensorelement und Encoder, welcher durch eine Feldstärkemessung bzw. relativ Feldstärkemessung mittels des Sensorelements erfolgt, verstanden. Insbesondere wird unter der Feldstärkemessung bzw. relativen Feldstärkemessung verstanden, dass ein Minimumwert und ein Maximumwert der erfassten Feldstärke ausgewertet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Encoder
- 3
- Sensorelement
- 4
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 5
- Sensorelementausgangsignale
- 6
- Bewegungssignal
- 7
- elektronische Kontrolleinheit
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Im Folgenden wird beispielhaft, schematisch anhand von 1 bis 6 die Codierung der unterschiedlichen Informationen durch die eindeutige, definierte Dauer der Bewegungsimpulse veranschaulicht, wobei der Sensor als Raddrehzahlsensor in einem Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Anhand der 1, 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel veranschaulicht mit einer Toleranz bzw. Abweichung der Zeitdauern der Bewegungsimpulse von 10%. Dabei sind in 1 die definierten Zeitdauern mit möglichen minimalen Min, maximalen Max und nominalen Nom Zeitdauern in µs der Bewegungsimpulse sowie die dazu gehörigen Maximalfrequenzen fmax der Bewegungsimpulse sowie die mögliche Maximalgeschwindigkeit eines entsprechenden Fahrzeugs Vmax in km/h tabellarisch dargestellt.
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Die Bewegungsimpulse im Hochauflösungsmodus sind mit HR für high resolution bezeichnet und die Bewegungsimpulse im/ für den Geringauflösungsmodus mit DR. Für eine hohe Fahrzeuggeschwindigkeit bis Vmax, also eine Geschwindigkeit über der zweiten Grenzgeschwindigkeit sind die Informationen in den DR Bewegungsimpulsen codiert und für Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb der zweiten Grenzgeschwindigkeit sind die Informationen in den HR Bewegungsimpulsen codiert. Die Bewegungsrichtung rechts ist dabei jeweils mit -R gekennzeichnet und die Bewegungsrichtung links ist dabei jeweils mit -L gekennzeichnet. Eine codierte Luftspaltinformation, dass der Luftspalt zwischen Sensor und Encoder zu groß ist, ist mit EL gekennzeichnet.
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Darüber hinaus weist der Bewegungsimpuls, welcher den Stillstand, Standstill codiert, die größte Zeitdauer auf und der Bewegungsimpuls, der eine Fehlerinformation, Warning Pulse codiert, die geringste Zeitdauer. In den Spalten Gap sind die Unterschiede der Zeitdauern in µs zu den hinsichtlich ihrer Zeitdauer benachbarten Bewegungsimpulsen beschrieben.
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Diese Zeitdauern der Bewegungsimpulse sind dann anhand der graphischen Darstellungen in 2 und 3 für die unterschiedlichen codierten Informationen dargestellt.
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Die geringste Toleranz-Marge wird hierbei durch den Abstand von Standard-Auflösungspuls (DR-R) und High-resolution Pulse (HR-R) mit 4.5 µs gebildet.
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Anhand der 4, 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel veranschaulicht mit einer Toleranz bzw. Abweichung der Zeitdauern der Bewegungsimpulse von 13%. Diese Toleranz erhöht die Robustheit des Sensors und reduziert ggf. bei der Sensorfertigung und beim Sensordesign Aufwände.
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Dabei sind in 4 die definierten Zeitdauern mit möglichen minimalen Min, maximalen Max und nominalen Nom Zeitdauern in µs der Bewegungsimpulse sowie die dazu gehörigen Maximalfrequenzen fmax der Bewegungsimpulse sowie die mögliche Maximalgeschwindigkeit eines entsprechenden Fahrzeugs Vmax in km/h tabellarisch dargestellt.
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Die Bewegungsimpulse im Hochauflösungsmodus sind mit HR für high resolution bezeichnet und die Bewegungsimpulse im/ für den Geringauflösungsmodus mit DR. Für eine hohe Fahrzeuggeschwindigkeit bis Vmax, also eine Geschwindigkeit über der zweiten Grenzgeschwindigkeit sind die Informationen in den DR Bewegungsimpulsen codiert und für Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb der zweiten Grenzgeschwindigkeit sind die Informationen in den HR Bewegungsimpulsen codiert. Die Bewegungsrichtung rechts ist dabei jeweils mit -R gekennzeichnet und die Bewegungsrichtung links ist dabei jeweils mit -L gekennzeichnet. Eine codierte Luftspaltinformation, dass der Luftspalt zwischen Sensor und Encoder zu groß ist, ist mit EL gekennzeichnet.
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Darüber hinaus weist der Bewegungsimpuls, welcher den Stillstand, Standstill codiert, die größte Zeitdauer auf und der Bewegungsimpuls, der eine Fehlerinformation, Warning Pulse codiert, die geringste Zeitdauer. In den Spalten Gap sind die Unterschiede der Zeitdauern in µs zu den hinsichtlich ihrer Zeitdauer benachbarten Bewegungsimpulsen beschrieben.
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Diese Zeitdauern der Bewegungsimpulse sind dann anhand der graphischen Darstellungen in 5 und 6 für die unterschiedlichen codierten Informationen dargestellt.
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Die geringste Toleranz-Marge wird hierbei durch den Abstand von Standard-Auflösungspuls (DR-R) und High-resolution Pulse (HR-R) mit 8.1 µs gebildet.
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7 zeigt beispielhaft eine Sensoranordnung, umfassend den Sensor 1, einen alternierend permanent magnetisierten Encoder 2, welcher durch den Sensor 1 erfasst wird hinsichtlich seiner Bewegungen sowie eine elektronische Kontrolleinheit 7, mit welcher der Sensor 1 verbunden ist und der das Ausgangssignal des Sensors 1 bereitgestellt wird.
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Die beiden Sensorelemente 3 des Sensors 1 erfassen das Magnetfeld des Encoders 2 und stellen jeweils ein Sensorelementausgangssignal 5 der Signalverarbeitungseinrichtung 4 bereit.
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Signalverarbeitungseinrichtung 4 ist so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit der Sensorelementausgangssignale 5 der Sensorelemente 3 ein Bewegungssignal 6 als Ausgangssignal des Sensors 1 der elektronischen Kontrolleinheit 7 bereitstellt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 4 ist dabei so ausgelegt, dass sie zwei oder mehr Schaltschwellen hinsichtlich des wenigstens einen Sensorelementausgangssignals aufweist, wobei im Wesentlichen jeweils bei Über- und/oder bei Unterschreiten einer Schaltschwelle durch das Sensorelementausgangssignal 5 eine Bewegungsinformation erzeugt wird, welche bei der Erzeugung des Bewegungssignals 6 berücksichtigt wird.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung 4 ist so ausgelegt, dass sie bei Auftreten einer Bewegungsinformation jeweils einen Bewegungsimpuls definierter Zeitdauer in dem Bewegungssignal erzeugt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung 4 so ausgebildet ist, dass sie im Wesentlichen eine Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder 1 und Sensorelementen 3 selbstständig bewertet und/oder berechnet und die definierte Zeitdauer des Bewegungsimpulses abhängig ist vom Überschreiten und/oder Unterschreiten zumindest einer ersten Grenzgeschwindigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder 2 und Sensorelementen 3.
