DE10213687A1 - Sensor mit Schwellenregeleinrichtung - Google Patents

Abstract

Sensor (1) mit einer taktgesteuerten Abtasteinrichtung (7) für periodische Sensorsignale (s2; s3) und einer Regeleinrichtung (11; 15) für eine Schwelle (s8), die die Abtastwerte in positive und negative Abtastwerte (s5, s6) aufteilt. Die Regeleinrichtung (11) steuert dabei die Höhe der Schwelle (s8) so, daß im zeitlichen Mittel die Anzahl über der Schwelle (s8) liegenden Abtastwerte, die positiven Abtastwerte (s5), und Anzahl der unter der Schwelle (s8) liegenden Abtastwerte, die negativen Abtastwerte (s6), zueinander in einem Verhältnis stehen, das einem vorgegebenem Verhältniswert (s9) entspricht.

Description

• Bei mechanisch beweglichen Einrichtungen werden zur Erkennung von Relativpositionen oder Relativbewegungen zunehmend Sensoren eingesetzt, um eine automatische Steuerung zu ermöglichen. Neben der Erfassung von Positionen oder Bewegung im gesamten technischen Bereich finden sich zunehmend Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise zur optimalen Steuerung der Bremsfunktion, des Motors, der Heizung oder Lüftung und dergl. mehr. Bei einem Verbrennungsmotor wird beispielsweise die jeweilige Position der Kolben in den Verbrennungszylindern durch die jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle bestimmt. Zur optimalen Steuerung der Treibstoffeinspritzung und der Ein- und Auslaßzeiten der Ventile ist ein Sensor erforderlich, mit dem man die jeweilige Winkelstellung der Kurbelwelle sehr genau bestimmen kann. Das gesamte Gebersystem soll dabei eine Winkelauflösung aufweisen, die als kleinsten Schritt 0,1 Grad und weniger erfaßt. Dies stellt unter den rauhen Bedingungen im Kraftfahrzeugbetrieb eine große Herausforderung dar, da die Messung in einer Umgebung mit extremen Temperaturschwankungen, Verschmutzungen, starken Vibrationen, einer unstabilen Spannungsversorgung, kräftigen elektromagnetischen Störungen und schließlich großen mechanischen Toleranzen infolge von Verschleiß und Fertigungsschwankungen stattfindet. Daher sind hier besonders magnetische Sensoren gegenüber optischen oder mechanischen im Einsatz. Die zahnradförmig ausgebildeten Geberräder werden aus Kostengründen und auf Grund der Robustheit meist aus einem einheitlichen Stück Stahl gefräst oder aus gestanzten Blechen zusammengesetzt. Die einzelnen Zähne beeinflussen dann ein Magnetfeld im Bereich eines Sensors oder mehrerer Sensoren, wobei diese aus der Änderung des Magnetfeldes den Winkel des Geberrades erkennen. Durch unterschiedliche oder ungleichförmige Teilungen auf dem Geberrad, die von einem oder mehreren Sensoren erfaßt werden, wird im Bedarfsfall die Mehrdeutigkeit überwunden, so daß eine absolute Winkelbestimmung ermöglicht wird.
• Ein Geberrad der Kurbelwelle weist beispielsweise 60 Zähne auf. Jede Zahnflanke liefert dabei eine bestimmte Winkelinformation und ihr Durchgang muß mit der erforderlichen Genauigkeit erfaßt werden. Den einzelnen Zahnflanken entsprechen die Übergangsflanken des Sensorsignals, die beim Überschreiten einer Schaltschwelle den Logikpegel des digitalen Ausgangssignals der Sensoreinrichtung ändern. Dieser Signalwechsel zeigt in der Empfängereinrichtung den Durchgang der zugehörigen Winkelposition des Geberrades an. Es ist sofort erkennbar, daß eine Verschiebung der Schaltschwelle bei Sensorsignalen mit endlich steilen Signalübergängen direkt den Zeitpunkt des vermeintlichen Flankendurchganges und damit die Winkelgenauigkeit beeinflußt. Zwischen dem Geberrad und dem Sensor existiert ein Luftspalt, dessen Größe einen weiteren Einfluß auf das Sensorsignal hat. Bei der Bestimmung des magnetischen Flusses gibt es eine starke nichtlineare Abhängigkeit des Sensorsignals durch den Luftspalt. Das Sensorsignal bildet so das Geberrad mit den realen Zahnflankenübergängen verzerrt ab. Diese Verzerrungen vergrößern zusätzlich die Winkelfehler bei einer Veränderung der Schaltschwelle. Zudem ist es auch nicht einfach, die Schwelle so festzulegen, daß sie von den vorhandenen Toleranzen möglichst unabhängig wird.
• Es ist Aufgabe der Erfindung einen genauen Sensor mit einer Schwellenregeleinrichtung anzugeben, der weitgehend unabhängig von den beschriebenen Nachteilen ist. Diese Aufgabe wird nach den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Sensor eine taktgesteuerte Abtasteinrichtung für die periodischen Sensorsignale und eine Regeleinrichtung für eine Schwelle aufweist. Die Schwelle wird dabei so geregelt, daß eine Aufteilung der Abtastwerte in folgendem Sinne erfolgt: Das Verhältnis aus der Anzahl der über der Schwelle liegenden Abtastwerte, den positiven Abtastwerten, zu der Anzahl der unterhalb der Schwelle liegenden Abtastwerte, den negativen Abtastwerten, soll einem vorgegebenem Verhältniswert entsprechen, der durch charakteristische Eigenschaften des zugeordneten Gebersystems definiert ist.
• Diese Lösung, die eine äquidistante Abtastung der periodischen Sensorsignale erfordert, aus denen danach die mit dem Verhältniswert verknüpfte Schwelle bestimmt wird, läßt sich mit einfachen Mitteln innerhalb einer monolithisch integrierten Sensoreinrichtung realisieren. Diese Lösung ist zusätzlich auch weitgehend unempfindlich gegenüber Offsetfehlern des eigentlichen Sensors und der daran angeschlossenen Verstärker und Verarbeitungsschaltungen. An die Zahngestaltung wird auch keine spezielle Anforderung gestellt, sofern die Zahnflanken im entscheidenden Bereich genau sind. Ungenauigkeiten im Abstand bei der Justierung des Sensors, die sich primär auf die Signalhöhe, nicht jedoch auf den Winkelwert auswirken, wirken sich ebenfalls nicht als Störgröße aus. Je höher die Abtastrate ist, um so genauer wird selbstverständlich das kontinuierliche Sensorsignal erfaßt. Damit die entscheidenden Flanken des Sensorsignals für die Regelung rasch und genau erfaßt werden, soll die Frequenz des Abtasttaktes mindestens doppelt so hoch sein, wie die höchste im Sensorsignal enthaltene Signalfrequenz, die im wesentlichen die Flankensteilheit bestimmt.
• Besonders einfach wird die Regelung der Schwelle, wenn die Gebereinrichtung so ausgebildet ist, daß das periodische Sensorsignal während einer Periode eine gleichgroße Anzahl von positiven und negativen Abtastwerten liefert und dies möglichst gleichförmig verteilt. Die Schwelle stellt in diesem Fall unabhängig von der Höhe der einzelnen Abtastwerten die Mittellinie oder den Medianwert dar. Ein Zahnrad mit einer 1 : 1 Teilung der Zähne liefert beispielsweise derartige Abtastwerte. Aber auch ein Zahnrad mit einer 1 : 1 Teilung, bei dem ein Zahn fehlt und dafür ein anderer die doppelte Länge hat. Oder ein Zahnrad mit einer 1 : 1 Teilung, bei dem ein Zahn nur die halbe Länge und dafür eine Zahnlücke ebenfalls nur eine halbe Länge hat. Durch derartige gewollte Störungen im Umlauf, die ihre Entsprechungen im periodischen Sensorsignal aufweisen, läßt sich ein Winkelbezugspunkt definierten, der eine absolute Winkelmessung mit einem einzigen Geberrad und einem einzigen Sensor ermöglicht. Die Beschreibung stellt selbstverständlich keine Beschränkung auf rotierende Gebereinrichtungen dar, denn lineare Gebereinrichtungen können natürlich entsprechend ausgebildet sein.
• Die Auswertung in diesem einfachen Fall der gleichen Anzahl von positiven und negativen Abtastwerten erfolgt beispielsweise durch einen Vor-und-Rückwärtszähler, wobei die positiven Abtastwerte in Vorwärtsrichtung zählen und die negativen in Rückwärtsrichtung. Die richtige Medianlage der Schwelle ist dann eingestellt, wenn der Zählerinhalt innerhalb eines kleinen Bereiches um den Nullwert herumpendelt. Es ist dabei auch nicht einmal erforderlich, daß nur ganze Umlaufperioden berücksichtigt werden, wenn die Feinteilung des periodischen Signals ausreichend ist, also ausreichend viele Zähne pro Radumfang vorhanden sind. Bei einer falschen Lage der Schaltschwelle akkumuliert sich der Fehler durch den unausgeglichenen Zählvorgang. Dies bewirkt eine zunehmende Abweichung des Zählerinhaltes vom geforderten engen Bereich um den Nullwert und entspricht einem integralen Regelverhalten. Eine separate Speicherung des Nullwertes ist nicht erforderlich. Eventuell kann der Bereich um den Nullwert als Sollbereich festgelegt werden. Hierbei ist dann allerdings zu berücksichtigen, daß der Bereich nicht nur von der Ausbildung des Geberrades, sondern auch von der Taktfrequenz und der Drehzahl des Geberrades abhängig ist.
• Wenn das Geberrad aus bestimmten Gründen so ausgebildet ist, daß bei einem Umlauf die Anzahl der positiven Abtastwerte unterschiedlich zu den negativen Abtastwerten ist, dann funktioniert der eben beschriebene Vor-und-Rückwärtszähler nicht mehr. Die Berücksichtigung des Verhältnisses der Anzahl der über der Schwelle liegenden Abtastwerte zu der Anzahl der unter der Schwelle liegenden Abtastwerte wird dann durch einen gespeicherten Verhältniswert bestimmt, der durch die Ausführung des zugehörigen Geberrades definiert ist. Der Verhältniswert liefert die Gewichtungsfaktoren, mit dem die positiven bzw. negativen Abtastwerte zu multiplizieren sind, bevor sie je nach Vorzeichen zum bisherigen Akkumulatorinhalt addiert bzw. von ihm subtrahiert werden. Dieser Additions- und Subtraktionsvorgang entspricht dem Auf- und Abwärtszählen im oben beschriebenen Vor-und-Rückwärtszähler. Es stellt sich als Regelziel wieder ein gleichmäßig um den Wert Null pendelnder Inhalt des kombinierten Addierers-und- Subtrahierers ein. Viele der erforderlichen Signaloperationen oder Rechenvorgänge können selbstverständlich auch als Programmschritte in einer mitintegrierten oder separaten Recheneinrichtung durchgeführt werden. Auch die Anwendung zweckmäßiger Kombinationen ist in das Belieben des Fachmannes gestellt.
• Ein Beispiel mit einem Zahnrad, bei dem die Zahnbreite zu Zahnlücke nicht mehr einander gleich ist, soll dies verdeutlichen. Bei konstanter Rotation dieses Geberrades entspricht die Anzahl der positiven zur Anzahl der negativen Abtastwerte beispielsweise einem Verhältniswert von 3 : 4. Hier wird bei jedem positiven Abtastwert der Wert 4 zum vorhandenen Akkumulatorinhalt hinzuaddiert und bei jedem negativen Abtastwert der Wert 3 vom vorhandenen Akkumulatorinhalt abgezogen. Die aktuelle Schwelle wird dann je nach dem Vorzeichen des Akkumulatorinhalts abgesenkt oder erhöht. Auch hier ist es nicht erforderlich, jeweils nur ganze Perioden des Sensorsignals auszuwerten, wenn seine Feinteilung ausreichend fein ist.
• Da die Ausgangsstufe zweckmäßigerweise identisch zur Regeleinrichtung an den Sensor angeschlossen ist, dessen Signalverstärker und möglichst viele Stufen der Regeleinrichtung mitverwendet, wird bei der Bildung des digitalen Ausgangssignals keinerlei zusätzlicher Offset erzeugt, der die Winkelbestimmung auf der Empfängerseite verfälschen kann.
• In vielen Fällen ist es erforderlich die Winkellage nicht nur im regulären Betrieb, sondern auch im Anlauffall festzustellen, um möglichst rasch eine Winkeländerung zu erkennen. Die Genauigkeitsanforderungen sind hierbei geringer. Die Hauptschwierigkeit besteht in der Abhängigkeit der Schwelleneinstellung von der Regeleinrichtung, die ohne eine ausreichende Anzahl von Abtastwerten keine Schwelle bestimmen kann. Diese Schwierigkeit umgeht der Sensor, indem er einen Startbetriebszustand aufweist, bei dem die Lage der Schwelle fest vorgegeben oder durch eine Interpolation mindestens zweier Abtastwerte bestimmt ist. Die Schwelle ist auf diese Weise nur vorläufig festgelegt. Sie reicht jedoch auch, um festzustellen, ob eine Sensorsignalflanke auftritt oder nicht. Im Startbetriebszustand, der auf übliche Weise durch Anlegen der Versorgungsspannung an ein mitintegiertes Zeitglied ausgelöst wird, wird auch der zufällige Inhalt des Zählers oder Akkumulators gelöscht, wenn sich dieser nicht sowieso im Nullzustand befindet. Die Umschaltung vom Startbetriebszustand in den normalen Betriebszustand ist ziemlich unkritisch, wenn sichergestellt ist, daß in der Zwischenzeit die Regeleinrichtung im stationären Betrieb ist und das Regelziel - also beispielsweise den Zählerstand Null - zumindest nahezu erreicht hat. Ein Kriterium hierfür kann der Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls sein, das ausreichend lang ist. Oder aus Versuchen ergibt sich, daß nach einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten ebenfalls das Regelziel erreicht wird. Oder das Ende des Startbetriebszustandes wird durch das Erkennen einer oder mehrerer Perioden des Sensorsignals ausgelöst. Schließlich kann auch das Erreichen eines genügend kleinen Zähler- oder Akkumulatorinhaltes den Übergang in den normalen Betriebszustand auslösen.
• Damit die externe Auswerteeinrichtung während des Startbereiches mit einem definierten Signal versorgt wird, liefert die Ausgangsstufe zweckmäßigerweise zunächst ein Ausgangssignal mit einem vorgegebenen logischen oder einem neutralen Zustand, der auch floatend sein kann. Um den Durchgang der ersten Zahnflanke zu signalisieren ändert die Ausgangsstufe beim Durchgang der ersten Flanke entweder den Zustand des Ausgangssignals oder erzeugt auf dem Ausgangssignal ein Impulssignal aus einem oder mehreren Impulsen und behält danach den bereits vorher vorhandenen Logikpegel bis zur nächsten Flanke bei. Das Impulssignal hat somit anzeigt, daß ein erster Flankendurchgang des Sensorsignals stattgefunden hat, und daß der im Startbetriebszustand zunächst vorgegebene Logikzustand des Ausgangssignals nun dem gültigen Logikpegel entspricht.
• Bei einer Beschleunigung innerhalb eines kleineren Winkelbereichs stimmt der vorgegebene Verhältniswert nicht mehr mit dem aktuell gemessenen Verhältniswert überein und es wird kurzeitig ein mehr oder weniger großer Ausreißer des Zähler- oder Akkumulatorinhaltes festgestellt. Hierdurch läßt sich ein Signal erzeugen, das eine Beschleunigung anzeigt. Über das Vorzeichen der Änderung ist auch eine Aussage über die Richtung der Beschleunigung, also eine echte Beschleunigung oder eine Abbremsung, möglich. Die Höhe der Änderung läßt eine Aussage über den jeweiligen Wert der Beschleunigung oder Abbremsung zu. Fehlzündungen in einem Verbrennungsmotor lassen sich auf diese Weise sehr leicht erfassen. Es muß lediglich überprüft werden, ob sich zwischen zwei oder mehreren Flankendurchgängen der durch die positiven und negativen Abtastwerte bestimmte Verhältniswert geändert hat. Hierzu können Funktionseinheiten der Regeleinrichtung mitverwendet werden. Erforderlich ist ein separater Zähler, dessen Zählvorgang synchron zu einem Flankendurchgang beginnt und synchron zum Durchgang nach einer geraden Anzahl von Taktflanken wieder aufhört.
• Zweckmäßig für das Geberrad ist ein ferromagnetisches Multipolrad oder ein komplementäres Rad, dessen Magnetfeld mit Differentialsensoren erfaßt wird. Die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert:
• Fig. 1 zeigt schematisch in linearer Abwicklung einige Zähne eines Geberrades mit zugehörigem Magnetfeld und Sensorsignalen,
• Fig. 2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors und
• Fig. 3 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensors.
• In Fig. 1 sind in Diagrammform untereinander einige Darstellungen angebeben, die der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens dienen. Die Diagrammachse ist gleichzeitig als Streckenachse s und als Zeitachse t angegeben. Dies ist unter der Annahme einer konstanten Bewegung der Gebereinrichtung möglich, die in der ersten Zeile schematisch als gleichförmige Zahnteilung dargestellt ist. Das gewählte Verhältnis zwischen den einzelnen Zähnen und den Zahnlücken beträgt dabei 1 : 1. Die erste Zeile entspricht einer linearen Anordnung einer Gebereinrichtung mit Zähnen oder der Abwicklung eines Geberrades. Alle Zähne erstrecken sich zwischen einer maximalen Zahnhöhe Zmax und einer minimalen Zahnhöhe Zmin.
• In Fig. 1 sind die Übergänge, also die Zahnflanken, zwischen dem geraden Zahndach und dem geraden Zahngrund ebenfalls gerade. Dieser vereinfachte Zahnverlauf ist natürlich nicht zwingend und kann beliebig anders ausgeführt sein. Auch die dargestellte Symmetrie ist nicht erforderlich, denn die An- und Abstiegsflanken f1 bzw. f2 können in Steigung und Form zueinander unterschiedlich sein. Wichtig ist allein eine Bezugshöhe Zo, die im dargestellten Beispiel von Zeile 1 in der Mitte zwischen den Extremwerten Zmax und Zmin liegt. Diese Bezugshöhe Zo definiert durch die Schnittpunkte mit den An- und Abstiegsflanken f1 bzw. f2 das Verhältnis zwischen den Zahnlücken und den Zähnen. Bei einer anderen Form der Zahnflanken f1, f2 kann die Bezugshöhe Zo auch an anderer Stelle liegen und trotzdem exakt ein 1 : 1 Zahn-Lückenverhältnis definieren. Wenn im angenommenen Beispiel von Fig. 1 bei identischer Zahnform die Bezugshöhe in Richtung des Zahngrundes wandert, dann definiert die neue Bezugshöhe Zo* nicht mehr das Verhältnis 1 : 1, sondern einen anderen Wert. Die Zahnlücke ist nun kleiner geworden, während sich die Zahnbreite vergrößert hat. Der Durchgang der Zahnradflanke an der jeweiligen Bezugshöhe Zo bzw. Zo* hat aber nicht nur einen relativ Einfluß auf das Zahn- Lückenverhältnis, sondern auch einen absoluten. Die neue Position p* der Flanke hat sich nun scheinbar um die Strecke ds gegenüber der ursprünglichen Position p verschoben. Dem entspricht bei einer gleichförmigen Bewegung eine zeitliche Verschiebung des scheinbaren Flankendurchgangs um den Wert dt.
• Die Auswirkung derartiger Ungenauigkeiten bei der Bezugshöhe Zo sind noch gravierender, weil die Lage der Zahnflanken und ihr Durchgang nicht direkt, sondern mittels eines Magnetfeldsensors und des durch die Zähne beeinflußten magnetischen Feldes B bestimmt wird. In der zweiten Zeile von Fig. 1 wird dies verdeutlicht. Dem Verlauf der Zähne entspricht der Verlauf eines Magnetfeldes B, das wegen seiner starken Nichtlinearität die Zahnform der ersten Zeile sehr verzerrt wiedergibt. Die horizontalen Linien a, b, c zeigen drei unterschiedliche Bezugshöhen und die Diagramme e, f, g die zugehörigen Zahn-Lückenverhältnisse.
• Die Bezugshöhe a befindet sich genau in der Mitte zwischen dem maximalen und minimalen Magnetfeld Bmax bzw. Bmin. Das resultierende Zahn-Lückenverhältnis e gibt die Zähne viel zu schmal wieder, während der Zahngrund viel zu breit ist. Eine derartige Bezugshöhe a ergibt sich beispielsweise aus einer Mittelwertregelung, die mit den Extremwerten Bmax und Bmin durchgeführt wird.
• Die Bezugshöhe b entspricht einer arithmetischen Mittelwertbildung des örtlichen und zeitlichen Magnetfeldverlaufes B, wodurch die Bezugshöhe b mehr in Richtung des Zahngrundes liegt. Dies vergrößert gegenüber dem Diagramm e die Zahnbreite. Das resultierende Zahn-Lückenverhältnis f verbessert sich im Sinne der gewünschten Abbildung der Zähne. Eine derartige Mittelwertbildung wird beispielsweise durch eine kapazitive Ankopplung des Sensorsignals erreicht. Die Verbesserung ist deutlich erkennbar, reicht jedoch wegen der starken Nichtlinearität des Magnetfeldes B immer noch nicht aus.
• Wenn bei der arithmetischen Mittelwertbildung die Zeitkonstante relativ klein ist, dann ergibt sich ein mehr oder weniger deutlicher Sägezahnverlauf für den Mittelwert, etwa entsprechend der Punktlinie d im Diagramm der zweiten Zeile. Im bereits erwähnten Anlauffall ist eine derartige Mittelwertbildung d zur vorläufigen Schwelleneinstellung zweckmäßig, weil damit rasch eine brauchbare Schwelle für die Auffindung eines ersten Flankendurchganges gefunden wird. Wenn die Zeitkonstante sehr klein ist, oder die Regelverstärkung sehr hoch ist, dann folgt der Mittelwert gleichsam dem Sägezahnverlauf und bildet diesen ab. Dies kann beispielsweise im Anlauffall der raschen Auffindung der ersten Zahnflankendurchgänge dienen.
• Erst wenn im Beispiel von Fig. 1 die Bezugshöhe c noch tiefer als die arithmetische Mittellinie b gelegt wird, ergibt sich als Meßwert wieder das ursprünglich beabsichtigte 1 : 1 Zahn-Lückenverhältnis, wie das Diagramm g zeigt. Zudem liegen auch die Flankenbezugspunkte p0, pc, pg wieder auf identischen Positionen s, wodurch auch die tatsächlichen Zahnflanken-Durchgangszeiten richtig erfaßt werden. Die Festlegung der Bezugshöhe c erfolgt dabei nach einem ganz anderen Verfahren, bei dem die Absolutwerte der Sensorsignale keine Rolle mehr spielen. Das Sensorsignal, das dem Magnetfeld B entspricht, wird mit relativ hoher Frequenz abgetastet und es wird dabei geprüft, ob die jeweiligen Abtastwerte des Sensorsignals größer oder kleiner als eine steuerbare Schwelle sind. Anfangs ist die Höhe dieser Schwelle allerdings noch nicht bekannt.
• Aus Zeile 1 von Fig. 1 mit der schematischen Zähnedarstellung Z ist ersichtlich, daß entsprechend dem Zahn-Lückeverhältniswert 1 : 1 bei der richtigen Bezugshöhe Zo im Mittel genau so viele Abtastwerte oberhalb wie unterhalb der Bezugshöhe Zo liegen müssen. Wenn dies nicht zutrifft, dann liegt eine falsche Bezugshöhe Zo* vor die entsprechend geändert werden muß. Der jeweiligen Bezugshöhe Zo* entspricht dabei die bereits erwähnte steuerbare Schwelle. Da lediglich zwischen den oberhalb und unterhalb der Schwelle liegenden Abtastwerten unterschieden werden muß, entfällt die Höhe der Abtastwerte und nur ihr Vorzeichen ist von Interesse. Das vereinfacht die Auswertung und Regelung der Schwelle ungemein, da einfache digitale Mittel zur Auswertung ausreichen. Die Regelung kann zudem durch Erhöhung der Abtastrate beliebig genau gemacht werden, und es gibt auch keine Alterungs- oder Toleranzprobleme. Der Regelvorgang besteht im wesentlichen darin, daß ein Vor-und-Rückwärtszähler je nach Regelrichtung durch die positiven Abtastwerte vorwärts und durch die negativen Abtastwerte rückwärts gezählt wird, wobei der Sollwert im zeitlichen Mittel um den Nullwert herum liegen muß. Dieses Kriterium ist sehr einfach zu erfassen. Weicht das Zählergebnis davon ab, dann wird die Schwelle c im richtigen Sinn nachgeregelt, bis der Zählerstand den Nullwert erreicht.
• In Fig. 2. ist als Blockschaltbild schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein Schaltungsblock 1 enthält im Sensorsignalzweig den eigentlichen Sensor und die zugehörigen Versorgungseinrichtungen für den jeweiligen Sensortyp, der insbesondere zur Erfassung von Magnetfeldern geeignet ist. Dieser Sensor 1 liefert entsprechend dem zugehörigen Gebersystem 2 ein periodisches Sensorsignal s1, das mittels eines Verstärkers 3 verstärkt wird und ein verstärktes Sensorsignal s2 erzeugt. Ein Komparator 4 mit einer steuerbaren Schwelle s8 erzeugt daraus ein Komparatorsignal s3, das lediglich zwei Zustände aufweist, je nach dem ob das Signal s2 größer oder kleiner als die Schwelle s8 ist. Schließlich bildet eine leistungsfähige Ausgangsstufe 5 aus dem Komparatorsignal s3 ein digitales Ausgangssignal s4. Dieses Signal s4 am Sensorausgang 6 steuert dann über mehr oder weniger lange Signalleitungen Auswerteeinrichtungen wie Prozessoren usw. an, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind.
• Die anderen Schaltungsteile von Fig. 2 dienen im wesentlichen der Steuerung der Schwelle s8 im Komparator 4. Hierzu wird das nur zwei Zustände aufweisende Komparatorsignal s3 einer Abtasteinrichtung 7 zugeführt, die je nach dem Vorzeichen des Komparatorsignals s4 einen positiven oder negativen Abtastwert s5 bzw. s6 an einem Ausgang 7.1 bzw. 7.2 erzeugt. Die Abtastrate wird von einer Taktquelle 8 gesteuert, die einen ausreichend hochfrequenten Takt c1 liefert. In diesem einfachen Fall der Abtastung handelt es sich lediglich um die Betätigung eines Schalters für den Takt c1, der in Abhängigkeit vom Zustand des Komparatorsignals s3 gesteuert wird und den Taktimpuls c1 entweder auf den Ausgang 7.1 oder den Ausgang. 7.2 durchschaltet.
• Die Auswertung der positiven und negativen Abtastwerte s5, s6 erfolgt in einer Auswerteeinrichtung 9, die im einfachsten Fall einen Vor-und-Rückwärtszähler enthält. Dessen Zählerinhalt s7 wird einer Schwellensteuereinrichtung 10 zugeführt, die die Schwelle s8 im Komparator 4 steuert. Weicht der Zählerinhalt s7 vom Nullwert, ab, dann wird die Schwelle so lange geändert, bis der Nullwert erreicht wird. Die Zeitkonstante dieser Regelung ist durch die Empfindlichkeit der Schwellensteuereinrichtung 10 vorgebbar, wodurch eine Anpassung an die Periodendauer des Sensorsignals s1 und dessen Feinteilung erfolgt. In Fig. 2 sind die Auswerteeinrichtung 9 und die Schwellensteuereinrichtung 10 funktionell als eine Regeleinrichtung 11 zusammengefaßt. Weitere Funktionseinheiten können selbstverständlich ebenfalls einbezogen werden, wie beispielsweise die Abtasteinrichtung 7, die Taktquelle 8, oder eine Speichereinrichtung 12. Die Speichereinrichtung 12 enthält beispielsweise einen Verhältniswert s9 zur Gewichtung der positiven und negativen Abtastwerte s5 bzw. s6 oder eine vorläufige Schwelle s10, die während des Startbetriebszustandes die Schwellensteuereinrichtung 10 steuert.
• Die Auslösung des Startbetriebszustandes und die Umschaltung auf den normalen Betriebszustand erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 13. Sie enthält ein Zeitglied, dem über eine Versorgungsklemme 14 eine Versorgungsspannung U zugeführt ist. Beim Anlegen der Versorgungsspannung U wird das Zeitglied aktiviert. Über Steuersignale st werden dann die nicht näher dargestellten Steuerfunktionen aktiviert. Zur Auslösung der einzelnen Steuersignals st ist die Steuereinrichtung 13 selbstverständlich mit verschiedenen Funktionseinheiten gekoppelt, um deren Zustände oder Signale zu erfassen. Hierzu dient beispielsweise das Komparatorsignal s3, das dazu dient, den jeweiligen Flankendurchgang eines Zahnes zu erkennen. Oder über das Komparatorsignal s3 läßt sich auch allein exakt erkennen, wann eine Periode des Sensorsignals s1 beginnt oder endet. Wenn das Komparatorsignal nach der Ausgangsstufe 5 abgenommen wird, dann ist auch eine Regelung auf sehr unterschiedliche kapazitive Ausgangslasten möglich, die ansonsten eine unerwünschte Zeitverschiebung auf der Empfängerseite bewirken. Die Steuereinrichtung 13 ist beispielsweise auch mit der Ausgangsstufe 5 oder dem Komparator 4 gekoppelt, um im Startbetriebszustand ein definiertes Ausgangssignal s4 zu erzeugen.
• In Fig. 3 ist in vereinfachter Form ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Zur Vereinfachung sind die Funktionseinheiten, die identisch zu den Funktionseinheiten von Fig. 2 sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine nochmalige Beschreibung ihrer Funktion erübrigt sich. Der wesentliche Unterschied von Fig. 3. zu Fig. 2 besteht darin, daß die Regeleinrichtung 11 und Abtasteinrichtung 7 von Fig. 2 zu einer einzigen Schwellenregeleinrichtung 15 zusammengefaßt sind, deren Eingang mit dem analogen Sensorsignal s2 gespeist ist. Die Schwellenregeleinrichtung 15 erfordert dadurch einen eigenen Komparator, der zur Offsetvermeidung möglichst gleich zum Komparator 4 ausgeführt sein soll. Diese Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß in der Schwellenregeleinrichtung 15 die Informationen über den aktuellen Flankendurchgang direkt zur Verfügung stehen und damit auch Informationen über den Beginn oder das Ende einer Periode des Sensorsignals. Wird beispielsweise ein separater Vor-und-Rückwärtszähler durch einen Flankendurchgang gestartet, dann zeigt der Zählerinhalt nach einer geradzahligen Anzahl von Flankendurchgängen an, ob das Gebersystem während dieser kurzen Zeit beschleunigt oder abgebremst wurde. Ein entsprechendes Beschleunigungssignal s11, kann dann an einem Ausgang 16 abgegeben werden. Im Startbetriebsbereich wird durch den Anschluß an das analoge Sensorsignal s2 auch eine arithmetische Mittelwertbildung zur raschen Schwelleneinstellung ermöglicht. Wie bereits beschrieben kann damit der Durchgang der ersten Flanke erfaßt werden. Zur Erfassung der der Flankendurchgänge kann das Komparatorsignal s3 auch als zusätzliches Signal s3' der Schwellenregeleinrichtung 15 zugeführt werden. Die Steuereinrichtung 13 erzeugt neben den nicht näher definierten Steuersignalen st die Steuersignale st1 und st2, die der Schwellenregeleinrichtung 15 bzw. der Ausgangsstufe 5 zugeführt sind.
• Wenn im Anlauffall die Regelsteilheit der Regeleinrichtung 11 oder der Schwellenregeleinrichtung 15 bei einer kleinen Regelzeitkonstante ausreichend hoch ist, dann folgt die mitlaufende Schwelle direkt der Zahnform Z wie bei einem Sigma-Delta- Wandler. Eine nachgeschaltete Mittelwertbildung liefert dann auf einfachste Weise die Schwelle für die ersten Zahnflankendurchgänge. Zur Erhöhung der Regelsteilheit läßt man beispielsweise den Vor- und-Rückwärtszähler keine Einzelschritte zählen, sondern Vielfache davon. Im einfachsten Fall wird dies durch eine einfache Stellenverschiebung der zugeführten Zähleinheiten oder durch einen anderen Stelleneingang beim Zähler bewirkt. Entsprechend verhält es sich beim Akkumulator, dem zur Erhöhung der Regelsteilheit Vielfache der Gewichtungsfaktoren zugeführt sind. Die Erhöhung der Regelsteilheit wird nach dem Startbetriebszustand zurückgenommen.

Claims (12)

1. Sensor (1) mit einer taktgesteuerten Abtasteinrichtung (7) für periodische Sensorsignale (s2; s3) und einer Regeleinrichtung (11) für eine Schwelle (s8), wobei die Schwelle eine Aufteilung der Abtastwerte in dem Sinne steuert, daß das Verhältnis aus der Anzahl der über der Schwelle (s8) liegenden Abtastwerte, den positiven Abtastwerten (s5), zu der Anzahl der unterhalb der Schwelle liegenden Abtastwerte, den negativen Abtastwerten (s6), einem vorgegebenem Verhältniswert (s9) entspricht.

2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsstufe (5) ein digitales Ausgangssignal (s4) erzeugt, dessen Logikzustand von der momentanen Lage des periodischen Sensorsignals (s2) zur Schwelle (s9) abhängig ist.

3. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (11; 15) einen Startbetriebszustand aufweist.

4. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung vom Startbetriebszustand in einen Normalbetriebszustand nach Ablauf eines vorgegebenen Kriteriums erfolgt, das beispielsweise einem vorgegebenen Zeitintervall, einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten, einer oder mehreren Perioden des Sensorsignals (s2; s3) oder einer vorgegebenen Regelgenauigkeit entspricht.

5. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Startbetriebszustand das Ausgangssignal (s4) der Ausgangsstufe (5) mindestens zu Beginn des Startbetriebszustandes einem vorgegebenen Logikzustand oder einen neutralen Zustand entspricht.

6. Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (5) nach dem Durchgang einer ersten Flanke (5) des Sensorsignals (s2) den Logikzustand des Ausgangssignals (s4) umschaltet oder auf dem Ausgangssignal ein Impulssignal erzeugt.

7. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (11; 15) aus einer Änderung des aktuellen Verhältniswertes (s7) der Abtastwerte (s5, s6) eine positive oder negative Beschleunigung, insbesondere eine Drehbeschleunigung, des Gebersystems (2) erkennt, und diese Information als ein Beschleunigungssignal (s11) abgibt.

8. Sensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (11; 15) über das Vorzeichen der Änderung des aktuellen Verhältniswertes (s7) die Aussage über die positive oder negative Beschleunigung des zugeordneten Gebersystems (2) bestimmt.

9. Sensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Höhe der Änderung des aktuellen Verhältniswertes (s7) ein Wert für die positive oder negative Beschleunigung bestimmt ist.

10. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Speichereinrichtung (12) der vorgegebene Verhältniswert (s9) gespeichert ist, der insbesondere den charakteristischen Daten eines Geberrades in einem Gebersystem (2) zur Rotationserfassung entspricht.

11. Sensor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberrad ein ferromagnetisches Multipolrad oder ein komplementäres Rad, insbesondere für die Anwendung von Differentialsensoren, ist.

12. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (11; 15) mit einer mitintegrierten oder separaten Recheneinrichtung verkoppelt ist, in der die Auswertung der Abtastwerte erfolgt.