DE19621902A1 - System zur Überlagerung von Informationen - Google Patents
System zur Überlagerung von InformationenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem System zur Überlagerung von
Informationen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Insbesondere zur Steuerung beziehungsweise Regelung der
Vorgänge in Kraftfahrzeugen kommen immer mehr Sensoren zum
Einsatz. Dies bedeutet jedoch, daß immer mehr Sensorsignale
unabhängig voneinander zu den Steuerungs- bzw.
Regelungseinheiten übertragen werden müssen. Die
Einzelsignale müssen dabei verschiedenen Anforderungen
entsprechen. Werden die Einzelsignale zu einem
"Summensignal" zusammengefaßt, so müssen die
Einzelanforderungen erhalten bleiben.
Zur Regelung bzw. Steuerung der Bremskraft, Antriebskraft
und/oder der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs ist es be
kannt, die Drehzahlen der Fahrzeugräder zu messen. Hierzu
werden im Stand der Technik vielerlei Methoden (bspw. Hall- oder
magnetoresistive Sensoren) ausgeführt. Darüber hinaus
ist es bekannt, die Abnutzung des Bremsbelages einer Fahr
zeugbremse zu ermitteln, indem beispielsweise in einer ge
wissen Tiefe der Bremsbeläge Kontaktstifte eingelassen sind,
die einen Kontakt auslösen, wenn der Bremsbelag bis zu die
ser Tiefe abgenutzt ist.
So zeigt beispielsweise der Artikel "Integrierte Hall-
Effekt-Sensoren zur Positions- und Drehzahlerkennung", elek
tronik industrie 7-1995, Seiten 29 bis 31 aktive Sensoren
zum Einsatz im Kraftfahrzeug für Antiblockier- Antriebs
schlupf-, Motor- und Getriebesteuerungs- bzw. -regelungs
systeme. Solche Sensoren liefern in einer Zweidrahtbeschal
tung zwei Strompegel, die in einem entsprechenden Steuer
gerät durch einen Meßwiderstand in zwei Spannungspegel umge
setzt werden.
Neben den erwähnten Hall-Effekt-Sensoren ist auch der Ein
satz von magnetoresistiven Sensoren zur Drehzahlerfassung
beispielsweise aus dem Artikel "Neue, alternative Lösungen
für Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magnetoresisitiver
Basis", VDI-Berichte Nr. 509, 1984 bekannt.
In der DE,C2,26 06 012 (US 4,076,330) wird eine spezielle
gemeinsame Anordnung zur Erfassung des Verschleißes eines
Bremsbelages und zur Erfassung der Raddrehzahl beschrieben.
Hierzu wird der erfaßte Bremsbelagverschleiß und die durch
einen induktiv arbeitenden Sensor erfaßte Raddrehzahl über
eine gemeinsame Signalleitung zu einer Auswerteeinheit ge
führt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Raddrehzahlsensor
in Reaktion auf einen erfaßten Bremsbelagverschleiß ganz
oder teilweise kurzgeschlossen wird.
Andere Systeme wie sie beispielsweise aus der DE,C, 43,22,440
beschrieben werden, benötigen zur Erfassung der Drehzahl und
des Bremsbelagverschleißes an einem Rad bzw. einer Radbremse
mindestens zwei Signalleitungen zwischen einer Radeinheit
und der Auswerteeinheit.
Bei der obengenannten Drehzahlerfassung ist es bekannt, daß
der Luftspalt zwischen dem sich drehenden Zahnkranz und dem
eigentlichen Sensorelement einen erheblichen Einfluß auf die
Qualität des Drehzahlsignals hat. Hierzu sei beispielsweise
auf die DE-OS 32 01 811 verwiesen.
Weiterhin benötigt man beispielsweise bei Anfahrhilfen
(sogenannten Hillholder) eine Information über die
Drehrichtung der Räder. Hier ist insbesondere eine
Information darüber notwendig, ob sich das Fahrzeug
rückwärts bewegt. Hierzu sei beispielhaft auf die DE-
OS 35 10 651 verwiesen.
Die obengenannten sowie weitere Informationen
(beispielsweise Bremsbelagverschleiß, Luftspalt,
Drehrichtung) werden im allgemeinen radnah erfaßt und in
einer radfern angeordneten Steuereinheit ausgewertet. Hierzu
müssen die Informationen zur Steuereinheit übertragen
werden.
Bei einem Motor (Verbrennungs- und/oder Elektromotor) ist es
bekannt, die Motordrehzahl mittels induktiver,
magnetoresistiver oder Hall-Sensoren zu erfassen.
In der nicht vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung
196 09 062.8 wird vorgeschlagen, die Informationen eines
analogen Drehzahlssignals, das periodisch zwei vorgebbare
Strom- oder Spannungsniveaus aufweist, mit den digitalen
Informationen bezüglich des Bremsbelagverschleißes, des
Luftspaltes und/oder der Drehrichtung derart zu überlagern,
daß die Strom- oder Spannungspegel des analogen
Drehzahlsignals in codierter Weise verändert werden. Die
Erhöhung der Strompegel zur Übertragung der zusätzlichen
digitalen Information hat den Vorteil, daß lediglich eine
Zwei-Draht-Verbindung zwischen der Sensoreinheit und der
Steuereinheit notwendig ist. Allerdings kommt es durch die
Erhöhung der Strompegel neben einer Erhöhung der
Verlustleistung zu einem erhöhten Spannungsabfall am
Meßwiderstand in der Steuereinheit. Die Veränderung der
Spannungspegel erhöht zwar nicht die Verlustleistung, macht
aber eine Drei-Draht-Verbindung (Spannungsversorgung, Masse,
Signalleitung) zwischen der Sensoreinheit und der
Steuereinheit notwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
möglichst einfache und sichere Überlagerung eines o.g
analogen Signals mit digitalen Informationen zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht aus von einem System zur Überlagerung von
Informationen. Dabei werden die einen Informationen durch
ein gebildetes analoges Signal repräsentiert, wobei dieses
Signal periodisch zwei vorgebbare Niveaus (High, Low)
aufweist und die Informationen durch die Periodendauer des
analogen Signals repräsentiert werden. Die vorgebbaren
Niveaus (High, Low) des analogen Signals können dabei durch
zwei unterschiedliche Strom- oder Spannungswerte realisiert
sein. Die anderen Informationen beinhaltet ein digitales
Signal, das die Informationen in Form eines digitalen
Datenwortes repräsentiert. Der Kern der Erfindung besteht
darin, daß zur Bildung eines Überlagerungssignals das
digitale Signal dem analogen Signal überlagert wird.
Durch die erfindungsgemäße Überlagerung der Informationen
wird die eingangs erwähnte Erhöhung der Verlustleistung
ebenso wie der erhöhte Spannungsabfall am Meßwiderstand
vermieden. Darüber hinaus ist die Anzahl der zu
überlagernden digitalen Informationen sehr hoch, wobei das
analoge Signal weder eine Phasen- noch eine
Frequenzverschiebung erfährt.
Die erfindungsgemäße Überlagerung ist vorteilhafterweise
derart vorgesehen, daß dem analogen Signal das digitale
Signal nur innerhalb eines festen Signalzustandes (High-
oder Low-Phase) überlagert wird. Das heißt, daß dem
analogen Signal das digitale Signal nur dann überlagert
wird, wenn das analoge Signal eines der vorgebbaren Niveaus
(High oder Low) aufweist.
Das Datenwort besteht aus einer Abfolge von Bits, wobei
jedes Bit zwei Niveaus (High, Low) vorgebbarer zeitlicher
Länge aufweist. Diese Niveaus repräsentieren die digitale
Informationen. Auch diese vorgebbaren Niveaus (High, Low)
können durch zwei unterschiedliche Strom- oder
Spannungswerte realisiert sein. Die zeitliche Länge der Bits
wird als erster Takt durch einen ersten Taktgeber
vorgegeben.
Die das Datenwort bildenden Bits weisen dabei
vorteilhafterweise die gleichen Niveaus beziehungsweise
Signalzustände (High, Low) auf wie das analoge Signal. Die
Bits können bei der Auswertung, das heißt bei der Trennung
der überlagerten Informationen dadurch von dem analogen
Signal unterschieden werden, daß die Bits nur nach einer
Zustandsänderung (High-Low oder Low-High) des analogen
Signals ausgegeben werden und wesentlich kürzer sind als die
minimal mögliche Zeit, die das analoge Signal einen Zustand
annimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß am Beginn und/oder am Ende des digitalen
Datenwortes zur Bildung des Gesamtdatenwortes eine fest
vorgebbare Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren Niveau
vorgegeben wird. Diese Start- bzw. Stopp-Bits dienen bei der
Trennung der Informationen in der Steuereinheit zum sicheren
Erkennen, ab wann die eigentlichen digitalen Informationen
in Form des Datenwortes beginnen.
Erfindungsgemäß ist insbesondere daran gedacht, daß die
Sensorik, die zur Erfassung der gesamten Informationen
dient, als Sensoreinheit zusammengefaßt ist. Das in der
Sensoreinheit erfindungsgemäß gebildete Überlagerungssignals
wird dann von dieser Sensoreinheit zu einer Auswerteeinheit
geleitet. Zur Bildung des digitalen Datenwortes ist dann in
der Sensoreinheit der oben erwähnte erste Taktgeber
notwendig, während zur Auswertung des Überlagerungssignals
in der Auswerteeinheit ein zweiter Taktgeber vorgesehen sein
muß. Aus Kosten- und/oder Einbaugründen kann vorgesehen
sein, daß wenigstens einer der beiden Taktgeber mit einer
bestimmten Zeitungenauigkeit ausgelegt ist. Für diesen Fall
ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß am Beginn und/oder am Ende des digitalen
Datenwortes oder des Gesamtdatenwortes eine fest vorgebbare
Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren Niveau
(Synchronisierungspuls) vorgegeben wird. Hierdurch wird der
zweite, im allgemeinen genauere Taktgeber in der
Auswerteeinheit mit dem ersten, im allgemeinen ungenaueren
Taktgeber in der Sensoreinheit synchronisiert. Auf diese
Weise wird eine fehlerfreie Auswertung des
Überlagerungssignals in der Auswerteeinheit gewährleistet,
ohne hohe Anforderungen an die Ganggenauigkeit des ersten
Taktgebers zu stellen.
Bei der oben erwähnten Synchronisierung werden dem Datenwort
oder dem Gesamtdatenwort (Datenwort mit Start- und/oder
Stopp-Bit) ein oder mehrere definierte Bits vor- oder
nachgelagert. Dies geschieht innerhalb des oben erwähnten
festen Signalzustandes (High- oder Low-Phase) des analogen
Signals. Daneben kann aber auch vorgesehen sein, daß das
digitale Datenwort oder das Gesamtdatenwort nur dem einen
der beiden Niveaus (High oder Low) des analogen Signals
überlagert wird, während zur Synchronisierung dem anderen
der beiden Niveaus (Low oder High) des analogen Signals die
fest vorgebbare Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren
Niveau (Synchronisierungspuls) überlagert werden. Diese
Ausgestaltung hat den Vorteil, daß das zu übertragende
Datenwort und/oder die einzelnen Bits länger sein können.
Darüber hinaus kann der Synchronisierungspuls (fest
vorgebbare Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren
Niveau) länger (bis zu einem Datenwort) sein, was zu einer
genaueren Synchronisierung führt.
Wie erwähnt wird das überlagerte Signal einer
Auswerteeinheit zugeführt, wo die Bits in einem mittels
eines zweiten Taktgebers vorgegebenen zweiten Takt
abgetastet werden. Die Synchronisierung bewirkt dabei, daß
dieser zweite Takt abhängig ist von der fest vorgebbare
Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren Niveau
(Synchronisierungspuls) eingestellt wird. Der im allgemeinen
genauere Taktgeber in der Auswerteeinheit wird also zur
Abtastung des Überlagerungssignals, insbesondere des darin
enthaltenen Datenwortes, an den im allgemeinen ungenaueren
Taktgeber in der Sensoreinheit angepaßt.
Die Bildung des Datenwortes kann derart geschehen, daß die
digitale Informationen (BBV, LS, DR) in ein Schieberegister
eingelesen werden und die eingelesenen digitalen
Informationen synchronisiert mit dem analogen Signal (DF)
seriell ausgelesen werden.
Das erfindungsgemäße System kann bei einem Kraftfahrzeug
Verwendung findet, wobei das analoge Signal die Drehzahl
eines Fahrzeugrades, die Drehzahl eines als Benzin-, Diesel- und/oder
Elektromotor ausgebildeten Fahrzeugmotors und/oder
die Drehzahl einer mit dem Fahrzeuggetriebe
wirkungsgekoppelten Welle repräsentieren kann. Die durch das
digitale Datenwort repräsentierten Informationen können
sein:
- - Informationen (BBV) über den Bremsbelagverschleiß an wenigstens einer Fahrzeugradbremse und/oder
- - Informationen (DR) über die Richtung der Drehbewegung und/oder
- - Informationen (LS) über den Zustand der Mittel enthält, mittels der das analoge Signal (DF) erfaßt wird (Luftspalt).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteran
sprüchen zu entnehmen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild wie es aus
dem Stand der Technik bekannt ist. Die Fig. 2 zeigt eine
einfache Kombination eines aktiven Drehzahlfühlers mit einer
Bremsbelagverschleißerfassung. Die Fig. 3a, 3b, 4a, 4b,
4c und 4d stellen die Erfassung des Luftspaltes und der
Drehrichtung anhand von Blockschaltbildern und zugehörigen
Signalverläufen dar. In den Fig. 5 und 8 mit den
zugehörigen Signalverläufen in den Fig. 6 und 9 sind zwei
unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Sensoreinheit zu sehen. Die Fig. 7 und 11 zeigen mit den
zugehörigen Signalverläufen in den Fig. 10 und 12 zwei
unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Auswerteeinheit.
Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll
die Erfindung detailliert beschrieben werden.
Die Figur zeigt als Übersichtsblockschaltbild ein System zur
Ermittlung des Bremsbelagverschleißes und von Raddrehzahlen
bei einem Kraftfahrzeug.
Mit dem Bezugszeichen 11a-d sind dabei die Radeinheiten
eines Kraftfahrzeugs bezeichnet. Zu diesen Radeinheiten ge
hören insbesondere die Räder, deren Umdrehungsgeschwindig
keiten (die Raddrehzahlen) gemessen werden sollen, und das
zu jeder Radeinheit zugeordnete Bremssystem
(Reibungsbremse). Mit dem Bezugszeichen 102a-d sind die
jedem Rad zugeordneten Drehzahlfühler und Bremsbelagver
schleißfühler bezeichnet, die, soweit es die Erfindung be
trifft, anhand der Fig. 2 bzw. 3 näher beschrieben werden.
Zu dem über die Erfindung hinausgehenden Aufbau dieser
Fühler soll ausdrücklich auf den eingangs erwähnten Stand
der Technik verwiesen werden.
Die Ausgangssignale der Drehzahlfühler und Bremsbelagver
schleißfühler 102a-d sind mit dem Steuergerät 103 verbunden,
wobei mit 105a-d die Übertragungsleitungen dargestellt
werden. Im Steuergerät 103 werden dann die mittels der Übertragungsleitungen
105a-d übertragenen Informationen zentral
für alle Radeinheiten ausgewertet. Der Zustand der Bremsbe
läge wird als Auswertungsergebnis vom Steuergerät 103 über
die Leitungen 18a-d dem Anzeigeinstrument 110 zugeführt.
Hierzu ist im allgemeinen vorgesehen, daß der Fahrer bei
einem gewissen Abnutzungsgrad einer oder mehrere Bremsbeläge
eine entsprechende Information zugewiesen bekommt.
Der Vollständigkeit halber sind mit den Bezugszeichen 14a-d
noch die Bremssysteme der einzelnen Radeinheiten 11a-d
skizziert, die vom Steuergerät 105 aus angesteuert werden
können.
Die Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen
exemplarisch an einer einzigen Radeinheit.
Die Fig. 2 zeigt dabei eine einfache Kombination eines
aktiven Drehzahlfühlers mit einer Bremsbelagverschleißer
fassung. Wie schon eingangs erwähnt kann als "aktiver" Dreh
zahlfühler 102 ein bekannter Hall-Drehzahlfühler oder ein
bekannter magneto-resistiver Drehzahlfühler vorgesehen sein.
In der Fig. 2 ist hierzu schematisch zu sehen, daß ein
Sensorelement 1021 einen inkrementalen Rotors 101 magneti
scher passiver Art abtastet. Abhängig von den abgetasteten
Inkrementen des Rotors 101 werden durch das Sensorelement
1021 zwei Strompegel i₁ und i₂ eingestellt. Dies ist in den
Fig. 2 mit dem Zu- bzw. Abschalten zweier Stromquellen 1022
und 1023 dargestellt.
Der Drehzahlfühler 102 ist mit dem Steuergerät 103 über die
Leitungen 105 bzw. über die Steckverbindungen 1021a und b
und 1031a und b verbunden. Der Eingangsverstärker 1036 de
tektiert mit Hilfe des Eingangswiderstandes R die den Strom
pegeln des Drehzahlfühlers 102 entsprechenden Spannungswerte
ULow = R*i₁
UHigh = R*(i₁ + i₂).
UHigh = R*(i₁ + i₂).
Ein typischer Verlauf bei im wesentlichen konstanter Rad
drehzahl ist im unteren Signalzug 301 der Fig. 4 zu sehen.
Durch eine Auswertung der Frequenz dieses Signals gelangt
man zur gewünschten Raddrehzahl.
Im unteren Teil der Fig. 2 ist schematisch eine bekannte
Erfassung 1104 des Bremsbelagverschleißes an einer Radbremse
zu sehen. Wie schon eingangs erwähnt ermittelt der aus dem
Stand der Technik an sich bekannte Bremsbelagverschleiß
fühler die Abnutzung des Bremsbelages einer Fahrzeugbremse,
indem beispielsweise in einer gewissen Tiefe der Bremsbeläge
Kontaktstifte eingelassen sind, die einen Kontakt auslösen,
wenn der Bremsbelag bis zu dieser Tiefe abgenutzt ist.
Dieser Kontakt ist in der Fig. 2 mit dem Schalter 1041 be
zeichnet. Der Schalter 1041 ist im Normalfall (keine an
zeigerelevanter Bremsbelagverschleiß) offen, wobei die
Spannung U+ nicht geerdet wird. Erreicht der Bremsbelag
einen gewissen Abnutzungsgrad, so wird der Schalter 1041 ge
schlossen, was wegen der Erdung durch die Verbindung 106
bzw. die Steckverbindung 1012 und 1031 in der Auswerteschal
tung 1037 detektiert wird.
Wie man bei dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform er
kennt, sind zur Übertragung der Raddrehzahlinformationen und
der Informationen über den Zustand des Bremsbelages jeweils
getrennte Signalleitungen 105 und 106 notwendig.
Die Fig. 3a zeigt beispielhaft die Erfassung eines
übermäßigen Abstands eines Hall- beziehungsweise
magnetoresistiven Sensors gegenüber dem schon beschriebenen
Zahnkranz des Fahrzeugrades, dessen Drehgeschwindigkeit
erfaßt werden soll. Bei dem Sensorelement 1021 kann es sich
um das mit demselben Bezugszeichen bezeichnete Sensorelement
in der Fig. 2 handeln. Das Element 1021 ist im allgemeinen
als bekannte Wheatstone-Brücke mit einer typischen
ringförmigen Anordnung von Widerständen ausgebildet. Durch
das Vorbeigleiten der einzelnen Segmente des nicht
dargestellten Zahnkranzes (101 in Fig. 2) wird in dieser
Wheatstone-Brücke die Brückenspannung UB erzeugt, die den
Komparatoren 5031 und 5101 zugeführt werden. Der Komparator
K1 dient zur Auswertung der Raddrehzahl. In dem Komparator
K2 5101 findet eine weitere Auswertung der Brückenspannung
derart statt, daß diese Brückenspannung mit einem relativ
hohen Schwellwert UH verglichen wird. Zum Hintergrund der
beiden Schwellwertvergleiche soll im folgenden auf die Fig.
3b eingegangen werden.
Die Fig. 3b zeigt einen typischen Signalverlauf der
Brückenspannung über der Zeit. Je nach der Geschwindigkeit
des Vorbeigleitens der einzelnen Segmente des Zahnkranzes
nimmt die Brückenspannung periodisch zu beziehungsweise
periodisch ab. Bleibt der Abstand, der Luftspalt, zwischen
dem Zahnkranz und der Wheatstone-Brücke 1021 konstant, so
weist die Brückenspannung eine konstante Amplitude auf. Wird
dieser Abstand jedoch zu groß, so nimmt die Amplitude der
Brückenspannung ab. Dieser Fall ist in der Fig. 3b
dargestellt.
Ein erster Schwellwertvergleich im Komparator 5031
vergleicht das Brückenspannungssignal mit einem relativ
geringen Schwellwert, beispielsweise 40 mV. Ausgangsseitig
liefert der Komparator 5031 dann das im unteren
Signalverlauf Kl der Fig. 3b gezeigte Ansteuersignal für
die Stromquellen i₁ und i₂ (siehe Fig. 2). Das Signal K1
repräsentiert also, auch bei einem sich vergrößernden
Luftspalt, die Raddrehzahl. Der Komparator 5101 überprüft
die Amplitude des Brückenspannungssignals dadurch, daß in
diesem Komparator eine relativ hohe Schwelle von
beispielsweise 60 mV eingestellt ist. Ist der Abstand
zwischen dem Zahnkranz und der Wheatstone-Brücke, der
Luftspalt, hinreichend gering, so liegt die Amplitude des
Brückenspannungssignals oberhalb der Schwelle des
Komparators 5101. Das Ausgangssignal des Komparators 5101
zeigt, wie im unteren Signalverlauf K2 in der Fig. 3b zu
sehen ist, im ordnungsgemäßen Fall mit einem zeitlichen
Verzug des Signals K1 gegenüber dem Signal K1. Bleibt jedoch
das Komparatorsignal K2 aus, so nimmt die Amplitude des
Brückenspannungssignals ab, was auf einen übermäßigen
Luftspalt schließen läßt.
Das Ausbleiben des Signals K2 wird in der Einheit 5102
detektiert, wobei ein Ausbleiben des Signals K2 eine
Erzeugung des digitalen Signals LS zur Folge hat.
Zusammenfassend ist zu der Luftspalterkennung zu sagen, daß
mit Hilfe eines aktiven Sensors, beispielsweise eines Hall-
Sensors oder eines magnetoresistiven Sensors, die
Drehzahlsignale eines Rades erfaßt werden. Die Sensoren
beinhalten eine Wheatstone-Brücke, die durch ein sich
änderndes Magnetfeld verstimmt wird. Aus dieser Verstimmung
wird das Signal für die Drehzahl gewonnen. Der Betrag der
Verstimmung steht in einem festen Verhältnis zur Größe der
Magnetfelddifferenz zwischen den beiden Brückenhälften. Die
Magnetfelddifferenz ist unter anderem abhängig vom Abstand
des Sensors zu dem Polrad. Bewertet man den Betrag der
Brückenverstimmung, so kann man auf den Luftspalt zwischen
dem Sensor und dem Polrad schließen. Diese Bewertung kann
mit einem Komparator 5101 erfolgen, der eine größere
Hysterese (UH = 60 mV) hat wie der normale
Nutzsignalkomparator 5031 (UH = 40 mV). Ist der Luftspalt
klein, so schalten beide Komparatoren, ist jedoch der
Luftspalt zu groß, so schaltet nur noch der
Nutzsignalkomparator 5031. Auf diese Weise hat man ein
Frühwarnsystem für einen zu großen Luftspalt, ohne gleich
die Raddrehzahlinformation zu verlieren. Diese Information
kann beispielsweise als Bandendkontrolle bei der
Kraftfahrzeugherstellung, in der Werkstatt oder während der
Fahrt genutzt werden.
Die Fig. 4a und 4b zeigen beispielhaft die Auswertung zur
Drehrichtungserkennung eines Rades. Hierzu ist in der Fig.
4a ein gegenüber der Fig. 3a modifizierter Hall-
beziehungsweise magnetoresistiver Sensor 1021a vorgesehen.
Die Modifikation besteht darin, daß die bekannte
Wheatstone-Brücke, wie in der Fig. 3a zu sehen ist, um
weitere zwei Widerstände ergänzt worden ist. Statt der
modifizierten Wheatstone-Brücke kann der modifizierte Hall-
beziehungsweise magnetoresistiver Sensor auch aus wenigstens
zwei separaten sensitiven Elementen 10211 und 10212
beziehungsweise zwei vollständige Wheatstone-Brücken
aufweisen. Auch hier erzeugen die einzelnen Elemente des
Zahnkranzes, Polrades beziehungsweise Geberrades (101, Fig.
2) entsprechende Änderungen in den Brückenspannungssignalen
UB1 und UB2. Diese Brückenspannungssignale werden der
Auswerteeinheit 5201 zugeführt. Gleichzeitig wird zur
Auswertung des Nutzsignals wenigstens eine der
Brückenspannungssignale dem schon beschriebenen Komparator
5031 zugeführt. Die Funktion der Drehrichtungserkennung 5201
soll anhand der Fig. 4c und 4d dargestellt werden.
In den Fig. 4c und 4d ist der Verlauf der in der Fig. 4a
gezeigten Brückenspannungssignale dargestellt. Hierzu kann
der Verlauf über der Zeit t oder der Verlauf über den Weg s
beziehungsweise über dem Drehwinkel des Geberrades
betrachtet werden. Je nach Drehrichtung des Rades, wird
entweder zuerst der rechte Teil der modifizierten
Wheatstone-Brücke 5030′ zuerst verstimmt oder der linke
Teil. Bei einem Rechtslauf des Rades eilt die
Brückenspannung UB1 der Brückenspannung UB2 voraus, während
es bei einem Linkslauf des Rades umgekehrt ist. Mittels der
Drehrichtungsauswertung 5201 wird die Phasenverschiebung der
beiden Brückenspannungsverläufe ausgewertet, woraufhin das
Signal DR dann erzeugt wird, wenn sich das Rad rückwärts
bewegt. Alternativ hierzu kann, wie in der Fig. 4d zu sehen
ist, die Differenz ΔUB zwischen den beiden
Brückenspannungswerten UB1 und UB2 gebildet werden. Aus dem
Verlauf dieser Differenz ΔUB, insbesondere aus den Lagen der
Maxima und Minima (Peaks nach "oben" oder "unten") erhält
man die Information DR über die Drehrichtung
(vorwärts/rückwärts).
Die Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße System in einer
ersten Ausführungsform. Hierbei ist mit dem Bezugszeichen
501 eine Sensoreinheit und mit Bezugszeichen 503 eine
Auswerteeinheit, die in der Fig. 7 genauer beschrieben
wird, bezeichnet.
Zur Sensoreinheit 501 gehört die Einrichtungen zur Erfassung
des Drehzahlsignals DF, wobei diese Einrichtung wie schon
mehrfach erwähnt als aktiver Sensor 102 (Fig. 2) ausgebildet
sein kann. Das Drehzahlsignal DF, das im oberen Signalzug
der Fig. 6 zu sehen ist, besteht aus einer zeitlichen Abfolge
von High- und Low-Zuständen, wobei die Periode
beziehungsweise die Frequenz dieses analogen Signals die
Drehzahl beziehungsweise Drehwinkelgeschwindigkeit angibt.
Das analoge Signal DF wird der Überlagerung 5021 zugeführt.
Zur Sensoreinheit 501 gehören weiterhin die Einrichtungen
zur Erfassung des Bremsbelagverschleißes, des Luftspalts und
der Drehrichtung. In der Fig. 5 ist hierzu jeweils das
letzte Bauteil der jeweiligen Einrichtung mit dem
Bezugzeichen
- - 1041 (Fig. 2, digitales Signal BBV, übermäßiger Bremsbelagverschleiß ja oder "nein"),
- - 5102 (Fig. 3a, digitales Signal LS, übermäßiger Luftspalt "ja" oder "nein")) und
- - 5201 (Fig. 4a, digitales Signal DR, Drehrichtung "vorwärts" oder "rückwärts")
eingezeichnet.
Diese digitalen Signale, die nur beispielhaft in diesem
Ausführungsbeispiel genannt sind, werden in die
Speicherzellen des Schieberegisters 5011 eingelesen, so daß
der jeweilige Speicherzelleninhalt dem aktuellen Stand
bezüglich Bremsbelagverschleiß, Luftspalt und Drehrichtung
entspricht. Mit dem Flankenwechsel des analogen DF-Signals
von Low nach High wird über den PIN Strobe der
Speicherinhalt des Schieberegisters 5011 eingefroren, das
heißt, daß keine weiteren Aktualisierungen mehr stattfinden.
Gleichzeitig wird der Inhalt der Speicherzellen des
Schieberegisters 5011 auf eine Zustandsänderung durch den
PIN Strobe seriell ausgelesen (serieller Ausgang des
Schieberegisters 5011). Dies geschieht gesteuert durch den
vom Oszillator 5012 vorgegebenen Takt. Auf diese Art erhält
man am seriellen Ausgang des Schieberegisters 5011 das
Datenwort DW, das aus einer Abfolge von High- und Low-
Pegeln, den sogenannten Bits, besteht. Vernachlässigt man
Taktschwankungen, so weisen die Bits die gleiche zeitliche
Länge auf.
Das Auslesen des Schieberegisters 5011 geschieht immer dann,
wenn bei dem Drehzahlsignal DF eine Zustandsänderung vom
Low-Zustand zum High-Zustand festgestellt wird. Dies ist in
der Fig. 5 mit der Verbindung von der DF-Leitung zum Eingang
des Schieberegisters 5011 dargestellt. Gleichzeitig wird mit
der Zustandsänderung des DF-Signals vom Low-Zustand zum
High-Zustand der Zähler 5014 zurückgesetzt, wobei der Zähler
5014 ausgangsseitig mit dem Eingang des logischen UND-Gatters
5013 verbunden ist. Die beiden anderen Eingänge dieses
logischen UND-Gatters 5013 sind durch den Takt des
Oszillators 5012 und mit dem erwähnten
Zustandsänderungssignal verbunden.
Auf eine Zustandsänderung des DF-Signals vom Low-Zustand zum
High-Zustand wird also zum einen der Speicherinhalt des
Schieberegisters 5011 seriell nur soviel mal ausgelesen, wie
Speicherzellen vorhanden sind. Der Zähler 5014 zählt also in
dem vorliegenden Beispiel bis n=3. Der Zähler 5014 begrenzt
also die Taktzahl auf die Datenwortbreite und wird durch den
Low-Pegel des DF-Signals zurückgesetzt.
Das so gebildete Datenwort DW ist im mittleren Signalzug der
Fig. 6 zu sehen. Es besteht in diesem Beispiel aus drei Bits,
wobei das erste Bit den Zustand "High", das zweite Bit den
Zustand "Low" und das dritte Bit den Zustand "High"
ausweist. Dies kann beispielsweise, je nach festzulegender
Zuordnung, bedeuten, daß ein anzeigerelevanter
Bremsbelagverschleiß (BBV=High), kein anzeigerelevanter
Luftspalt (LS=Low) und eine Rückwärtsfahrt (DR=High)
vorliegt.
Durch das logische UND-Gatter 5021 wird das Drehzahlsignal
DF mit dem Datenwort DW zum Überlagerungssignal I verknüpft.
Wie im unteren Signalzug der Fig. 6 zusehen ist, findet sich
im Überlagerungssignal I das Datenwort DW immer zu Beginn
eines High-Zustandes. Dies wird durch den Start des
Datenwortes DW mit der Zustandsänderung des DF-Signals vom
Low-Zustand zum High-Zustand erreicht. Statt der High-Phase
kann das Datenwort auch der Low-Phase des Drehzahlsignals
überlagert werden. Das Datenwort muß allerdings beendet sein
bevor die nächste Zustandsänderung des DF-Signals eintritt.
Im Falle eines konventionell ausgelegten Raddrehzahlfühlers
liegt die maximale mögliche Drehzahlfrequenz bei ca. 3 KHz,
woraus sich bei einem möglichen Tastverhältnis von 30 . . . . 70%
eine maximale Datenwortlänge von ca. 100 µsec ergibt. Das
Überlagerungssignal I kann als Spannungssignal durch eine
Drei-Draht-Leitung oder als Stromsignal durch eine Zwei-
Draht-Leitung an die Auswerteeinheit 503 übertragen werden.
In der Fig. 7 wird beispielhaft die Auswerteeinheit 503
gezeigt. Hier wird mittels des Vergleichs 5031 mit einem
entsprechenden Schwellwert Ref die Zustandsänderung des
Überlagerungssignals I von Low nach High erfaßt. Mit der
Erfassung der ersten Zustandsänderung des
Überlagerungssignals I von Low nach High wird in der
Auswerteeinheit der Zähler 5032 und das Schieberegister 5037
gestartet. Der Ausgang des Zählers 5032 hält über die
Verknüpfung im logischen UND-Gatter 5033 das DF-Signal für
mindestens die Zeitdauer des Datenwortes (beispielsweise
100 µsec) auf den Zustand High und verhindert so, daß das
Datenwort am Ausgang des logischen UND-Gatters 5033
erscheint. An diesem Ausgang liegt so nur noch das
Drehzahlsignal DF an, dessen Frequenz zur Drehzahlermittlung
in der Einheit 5034 in bekannter Weise auswertet werden
kann. Gleichzeitig wird durch den Taktgeber 5036 der Takt
des Schieberegisters 5037 gestartet und so das Datenwort DW
eingelesen. Dieses Datenwort kann dann an den Ausgängen Q1
bis Qn abgegriffen und beispielsweise zur Ansteuerung einer
entsprechenden Anzeige weiterverarbeitet werden.
Die Fig. 8 zeigt das erfindungsgemäße System in einer
zweiten Ausführungsform. Hierbei sind die gleichwirkenden
Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in der Fig. 5
bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zwischen der schon
beschriebenen ersten und dieser zweiten Ausführungsform
besteht darin, daß bei der ersten Ausführungsform davon
ausgegangen wurde, daß der Taktgeber der Sensoreinheit
(Oszillator 5012) und der Taktgeber 5036 der Auswerteeinheit
synchron laufen. Der wesentliche Punkt des zweiten
Ausführungsbeispiels besteht darin, daß zusätzlich zu der
Drehzahlinformation und dem Datenwort eine Information zur
Synchronisation der Taktgeber von der Sensoreinheit 501a zur
Auswerteeinheit 503a übertragen wird. Darüber hinaus wird in
dem zweiten Ausführungsbeispiel das eigentliche Datenwort
um eine Start- und Stopp-Bit-Sequenz ergänzt, um die
Auswertung noch sicherer zu gestalten.
Die maximale Drehzahlfrequenz liegt bei ca.2 kHz (48 Zähne
auf dem Zahnkranz 101, bei einer maximalen
Fahrzeuggeschwindigkeit von 300 km/h). Berücksichtigt man
eine Frequenzreserve von 1 kHz, so gelangt man, wie oben
schon abgeschätzt, mit einem möglichen Signaltastverhältnis
von 30 . . . 70% zu einer maximalen Breite des gesamten
Datenwortes von
Tmax = 0.3 * 1/3 kHz = 100 µsec.
Sollen 8 Datenbit, 2 Start-Bit, 1 Stopp-Bit und 4+1
Zeitsynchron-Bits übertragen werden, so ergeben sich 16 bit.
Dies erfordert bei einer Oszillatorgenauigkeit von ±20% eine
Taktnominalzeit von 5 µsec (200 kHz). Maximal ergibt sich
6 µsec (166,6 kHz) und minimal 4 µsec (250,0 kHz). In dem in
der Fig. 8 gezeigten Beispiel werden 4 Datenbit, 2 Start-Bit,
1 Stopp-Bit und 4+1 Zeitsynchron-Bits übertragen (12 bit).
Das Überlagerungssignal I (mit 8 Datenbit, 2 Start-Bit, 1
Stopp-Bit und 4+1 Zeitsynchron-Bits) ist im unteren Teil der
Fig. 9 zu sehen, wobei die Amplituden zur besseren
Unterscheidung verschieden hoch gezeichnet sind. Im oberen
Teil der Fig. 9 ist das Signal DF zu sehen. Man erkennt, daß
mit der Zustandsänderung des DF-Signals von Low nach High
dem eigentlichen Datenwort zunächst eine Sychronisations-
Bitfolge (4 High-Bit, 1 Low und 1 High-Bit) und 1 Low-Bit
als Start-Bit vorweggeschickt wird. Das eigentliche
Datenwort (8 Bit) wird mit einem Low-Bit als Stopp-Bit
beendet, deutlich bevor die nächste Zustandsänderung des DF-
Signals von High nach Low ansteht. Die Breite, also die
zeitliche Länge, der Bits ist durch den in Fig. 9 als
Sensorclock dargestellten Takt des Taktgebers 5012a gegeben.
Dieses in der Fig. 9 im unteren Teil gezeigte
Überlagerungssignal I wird der in der Fig. 11 gezeigten
Auswerteeinheit 503a zugeführt. Auch hierbei sind die
gleichwirkenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in
der Fig. 7 bezeichnet. Die Signalauswertung wird zunächst
anhand des in der Fig. 10 dargestellten Überlagerungssignals
I dargestellt.
Bei einer an sich bekannten Signalauswertung, die einer
Standard-Rechner-Schnittstelle entspricht, wird jedes Bit
dreimal abgefragt, das heißt, daß der Zustand (High oder
Low) des Bits innerhalb der zeitliche Bit-Breite dreimal
abgefragt beziehungsweise abgetastet wird. Zur Bestimmung
des Bits-Zustandes wird dann eine 2 von 3 Auswahl
vorgenommen. Das heißt, daß ein Bit-Zustand beispielsweise
als High erkannt wird, wenn wenigstens zwei der drei
Abfragen einen High-Zustand zum Ergebnis haben. Daraus
ergibt sich bei der vorliegenden Schätzung eine Abfrage
Rasterzeit von ca. 1,25 µsec. Das heißt, daß alle 1,25 µsec das
anliegende Signal eingelesen wird. Diese Abfrage-Rasterzeit
muß der Toleranz des Taktgebers 5012a der Sensoreinheit, der
Sensorclock, nachgeführt werden, muß also im oben erwähnten
Bereich von +20% verstellbar sein.
Durch die dreimalige Abtastrate ergeben sich über der
Wortbreite von (3+1) *10 Abtastpunkte = 40 Abtastungen. Damit
über die gesamte Wortbreite (40 . . . 60 µsec) alle Abtastpunkte
korrekt die Bits treffen, ist eine Zeitsynchronisation von
2,5% zwischen der Sensoreinheit und der Auswerteeinheit
erforderlich. Dies ist so zu erklären, daß der letzte
Abtastpunkt nur maximal um den Abtastabstand neben dem
Sollwert liegen darf. Somit ergibt sich
Abtastabstand = 100% Wortbreite/40 Abtastungen
= 2,5%.
Wird nun das in der Sensoreinheit 501a gebildete
Überlagerungssignal I (Fig. 9) der Auswerteeinheit 503a
(Fig. 11) zugeführt, so erfolgt die Erfassung der
Oszillatorfrequenz (Oszillator 5012a) der Sensoreinheit 501a
durch Messen der Pulsbreite des ersten übertragenen Pulses
(Pulsbreitenmessung 5040). Der erste Puls hat eine Länge von
vier Sensortaktlängen (4 * Tsensorclock). Diese Pulsbreite muß
wie oben dargestellt auf 2,5% genau erfaßt werden. Daraus
ergibt sich, daß die minimal erforderliche digitals
Schrittbreite des Auswertezeitgliedes 2,5% von (4 * Tsensorclock)
sein muß:
digitale Schrittbreite = 0,025 * 4 µsec = 400 nsec.
Dies entspricht einem 2,5 MHz Oszillator. Berücksichtigt man
einen Digitalisierungseffekt bei der Pulsbreitenmessung, so
ist eine Oszillatorfrequenz von 5 . . . 10 MHz erforderlich.
Setzt man eine maximale Drehzahlfrequenz von 2 KHz an und
sollen nur 4 Datenbit übertragen werden, so kommt man zu dem
Ergebnis, daß die Auswerteoszillatorfrequenz um den Faktor
2.5 langsamer sein darf.
Durch einer durch die Pulsbreitenmessung 5040 gesteuerten
Teilung (Teiler 5038) des Auswertetaktes gelangt man also zu
der gewünschten Synchronisation und erhält damit eine
sichere Trennung der im Signal I überlagerten Informationen.
Während in dem bisher beschriebenen zweiten
Ausführungsbeispiel sowohl das gesamte Datenwort als auch
der Synchronisierungspuls innerhalb eines Zustands (hier der
High-Zustand) des DF-Signals übertragen wurde, kann auch
vorgesehen sein, daß das Synchronsignal in der einen Phase
des DF-Signals (in der Fig. 12 in der Low-Phase) und das
gesamte Datenwort in der anderen Phase übertragen wird. Dies
hat den Vorteil, daß das digitale Signal länger und/oder die
Bitbreite länger sein kann. Darüber hinaus kann das
Synchronisierungssignal länger sein, was zu einer genaueren
Synchronisierung führt.
Unter der Annahme, daß eine Wortbreite von 100 µsec möglich
ist, ergibt sich eine Bitbreite von 10 µsec (bei 1 Start-
Bit, 1 Stopp-Bit und 8 Daten-Bit). Die erforderliche
Genauigkeit bei der Frequenzmessung bleibt bei 2,5%, aber
die Messung der Synchronpulszeit kann 80 µsec lang sein.
digitale Schrittbreite = 0,025 * 8 * 10 µsec
= 400 nsec.
= 400 nsec.
Dies entspricht einem 500 KHz Oszillator. Auf diese Weise
kann also die Anforderung an den Oszillator reduziert
werden.
Claims (10)
1. System zur Überlagerung von Informationen mit einem
gebildeten analogen Signal (DF), das periodisch zwei
vorgebbare Niveaus (High, Low) aufweist und Informationen
durch die Periodendauer (T) des analogen Signals (DF)
repräsentiert, und mit einem gebildeten digitalen Signal
(DW), das Informationen in Form eines digitalen Datenwortes
repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines
Überlagerungssignals (I) das digitale Signal (DW) dem
analogen Signal (DF) überlagert wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
vorgebbaren Niveaus (High, Low) des analogen Signals (DF)
durch zwei unterschiedliche Strom- oder Spannungswerte
realisiert sind und dem analogen Signal (DF) das digitale
Signal (DW) nur dann überlagert wird, wenn das analoge
Signal (DF) eines der vorgebbaren Niveaus (High oder Low)
aufweist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Datenwort aus einer Abfolge von Bits besteht, die zwei die
digitale Information repräsentierende Niveaus (High, Low)
vorgebbarer zeitlicher Länge aufweisen können, wobei die
vorgebbaren Niveaus (High, Low) durch zwei unterschiedliche
Strom- oder Spannungswerte realisiert werden und die
zeitlicher Länge der Bits als erster Takt durch einen ersten
Taktgeber (5012, 5012a) vorgegeben wird.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am
Beginn und/oder am Ende des digitalen Datenwortes zur
Bildung des Gesamtdatenwortes eine fest vorgebbare Anzahl
von Bits mit einem fest vorgebbaren Niveau vorgegeben wird
(Start- und/oder Stoppbit).
5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß am Beginn und/oder am Ende des digitalen Datenwortes
oder des Gesamtdatenwortes eine fest vorgebbare Anzahl von
Bits mit einem fest vorgebbaren Niveau vorgegeben wird
(Synchronisierung).
6. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das digitale Datenwort oder das Gesamtdatenwort nur dem
einen der beiden Niveaus des analogen Signals (DF)
überlagert wird und dem anderen der beiden Niveaus des
analogen Signals (DF) eine fest vorgebbare Anzahl von Bits
mit einem fest vorgebbaren Niveau vorgegeben wird
(Synchronisierung).
7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das überlagerte Signal (I) einer Auswerteeinheit (503,
503a) zugeführt wird und die Bits in einem mittels eines
zweiten Taktgebers (5036, 5038) vorgegebenen zweiten Takt
abgetastet werden, wobei dieser zweite Takt abhängig von der
fest vorgebbare Anzahl von Bits mit einem fest vorgebbaren
Niveau (Synchronisierung) eingestellt wird.
8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bildung des digitalen Datenwortes (DW) digitale
Informationen (BBV, LS, DR) in ein Schieberegister (5011)
eingelesen werden und die eingelesenen digitalen
Informationen synchronisiert mit dem analogen Signal (DF)
seriell ausgelesen werden.
9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
System bei einem Kraftfahrzeug Verwendung findet und das
analoge Signal (DF) die Drehzahl eines Fahrzeugrades, die
Drehzahl eines als Benzin-, Diesel- und/oder Elektromotor
ausgebildeten Fahrzeugmotors und/oder die Drehzahl einer mit
dem Fahrzeuggetriebe wirkungsgekoppelten Welle
repräsentiert.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
digitale Datenwort (DW)
- - Informationen (BBV) über den Bremsbelagverschleiß an wenigstens einer Fahrzeugradbremse und/oder
- - Informationen (DR) über die Richtung der Drehbewegung und/oder
- - Informationen (LS) über den Zustand der Mittel enthält, mittels der das analoge Signal (DF) erfaßt wird.
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