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Einrichtung zur Detektion von Markierungselementen an
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einem rotierenden Körper Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
Lageerkennung eines Markierungselemente enthaltenden rotierenden Körpers, insbesondere
eines mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gekoppelten Schwungrades, an
das Segmente angeformt sind, mittels eines Induktivgebers, dessen Ausgangssignale
einer Impulsformerstufe zugeführt werden, die zwei auf unterschiedliche Impulse
der Ausgangssignale ansprechende Komparatoren aufweist, wobei der Induktivgeber
mit dem ersten Komparator der Impulsformerstufe an dessen negativem Eingang und
zugleich mit dem zweiten Komparator der Impulsformerstufe an dessen positivem Eingang
in Verbindung steht und die Ausgänge der Komparatoren mit den beiden Eingängen eines
bistabilen Multivibrators verbunden sind, wobei an dessen Ausgang Rechtecksignale
abnehmbar sind.
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Es ist eine Einrichtung zur Lageerkennung eines rotierenden Körpers
bekannt, der Permanentmagnete als Markierungen aufweist, wobei ein fest montierter
Induktivgeber auf die Permanentmagnete anspricht (DE-AS 24 46 193). Der Ausgang
des Induktivgebers steht einmal mit dem Pluseingang eines ersten Verstärkers in
Verbindung und einmal mit dem Minus eingang eines weiteren Verstärkers. Die Ausgänge
der beiden Verstärker stehen mit einem RS-Flip-Flop in Verbindung. Der erste Verstärker
spricht auf die positive und der zweite auf die negative Flanke des Impulses an,
der den Induktivgeber verläßt. Am Ausgang des RS-Flip-Flops sind daher Rechteckimpulse
abnehmbar.
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Bei dieser Einrichtung arbeiten die beiden Verstärker als Schwellwertstufen
mit konstanter Schwelle, die ein Signal
des Induktivgebers nur dann
durchlassen, wenn sein Betrag diese konstante vorgegebene Schwelle überschreitet.
Die Schwellen für die positive und die negative llalbwelle der Impulse sind dem
Betrag nach gleich groß. Die Spannungsabgabe des Induktivgebers variiert mit der
Drehzahl des rotierenden Körpers, wie auch aufgrund betriebsbedingter radialer und
axialer Abstandsvariationen vom Induktivgeber.
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Bei kleiner Impulshöhe und folglich kleinerer Steilheit der Impulsflanken
überschreitet ein Signal die konstante Schwelle relativ zum Beginn des Signals später
als bei größerer Impulshöhe. Es wird daher später erfaßt. Bei sehr kleiner Drehzahl
kann das Signal des Induktivgebers so klein sein, daß es den vorgegebenen festen
Schwellwert nicht erreicht. Das tritt besonders im Anlasserbetrieb bei tiefen Temperaturen
ein. Die Stellung des beweglichen Körpers kann nur ungenau, bei sehr kleiner Drehzahl
überhaupt nicht ermittelt werden. Wird eine niedrige Schwelle gewählt, dann werden
in großem Maße Störimpulse registriert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln,
die bei einfacher Bauweise eine genaue Lageerkennung eines Markierungselemente enthaltenden
rotierenden Körpers, insbesondere auch bei kleinen Drehzahlen ermöglicht.
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Im übrigen sollen die rfassungsfehler geringer werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, - daß die Verbindung
des Induktivgebers mit dem negativen Eingang des ersten Komparators und dem positiven
Eingang des zweiten Komparators einen Spannungsteiler aufweist, - daß der Induktivgeber
über eine mit einem ersten Kondensator verbundene erste Diode als Peakdetektor mit
dem positiven Eingang des ersten Komparators in Verbindung steht, wobei der Induktivgeber
mit der Kathode der ersten Diode verbunden ist und die Anode der ersten Diode sowohl
mit dem ersten Kondensator, dessen zweiter Anschluß auf Bezugspotential liegt verbunden
ist als auch über einen
Spannungsteiler mit dem positiven Eingang
des ersten Komparators in Verbindung steht, und daß der Induktivgeber über eine
mit einem zweiten Kondensator verbundene zweite Diode als Peakdetektor mit dem negativen
Eingang des zweiten Komparators in Verbindung steht, wobei der Induktivgeber mit
der Anode der zweiten Diode verbunden ist und die Kathode der zweiten Diode sowohl
mit dem zweiten Kondensator, dessen zweiter Anschluß auf Bezugspotential liegt,
verbunden ist als auch über einen Spannungsteiler mit dem negativen Eingang des
zweiten Komparators in Verbindung steht.
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Die beiden Dioden separieren die positive und negative Halbwelle des
Gebersignals. Die Halbwellen laden jede einen Kondensator mit fester Kapazität auf.
Im Zeitraum zwischen zwei Gebersignalen entladen sich die Kondensatoren über die
Spannungsteiler teilweise, so daß beim Eintreffen des nächsten Gebersignals kleinere
Ladungen auf den Kondensatoren verbleiben. Diese Ladungen entsprechen Spannungen,
die über Abgriffe der Spannungsteiler Komparatoreingängen als Schwellenspannungen
zugeführt werden. Die Gebersignale werden gleichzeitig den beiden anderen Eingängen
der Komparatoren zugeführt.
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Wesentlich ist, daß bei kleiner Impulshöhe des Gebersignals, z.B.
bei kleiner Drehzahl, entsprechend kleinere Detektionsschwellen erzielt werden.
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Die zwischen den Kondensatoren und der Komparatoren geschalteten Spannungsteiler
legen im Verhältnis zum zwischen dem Induktivgeber und den Komparatoren geschalteten
mittleren Spannungsteiler ein Niveau für die Schwellenspannung fest.
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Die Schwellenspannungen sollen in etwa halb so groß wie die Maxima
der Gebersignale sein.
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Da das Zeitintervall zwischen zwei Gebersignalen mit kleinerer Drehzahl
größer wird, kann die Entladung der
Kondensatoren bei kleiner Drehzahl
weiter fortschreiten als bei großer Drehzahl. Eine kleinere Ladung auf den Kondensatoren
bedeutet aber auch eine kleinere Schwellenspannung an den Komparatoren für das nächste
Gebersignal, wodurch die Schwelle zu kleineren Drehzahlen hin abfällt. Dieser Effekt
ist notwendig, damit sich die Detektionsschwelle beim Abbremsen des Schwungrades
an die kleiner werdenden Signale anpaßt und keine Segmente ausgelassen werden. Die
Signale werden nach der Erfindung unabhängig von ihrer Impulshöhe zu dem Zeitpunkt
erfaßt, an dem sie einen festen, wählbaren Anteil ihrer Impulshöhe erreicht haben.
Die nächsten Gebersignale bewirken dann das Wiederaufladen der Kondensatoren.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung addiert ein weiterer Spannungsteiler
zu den aus den Peakdetektoren abgeleiteten Schwellen eine Grundschwelle, die es
ermöglicht, daß auch bei sehr niederen Drehzahlen des Schwungrades und entsprechend
kleinen Signalen des Induktivgebers die Markierungselemente des rotierenden Körpers
registriert werden.
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Die Grundschwelle verhindert auch ein Ansprechen der Schaltung auf
kleinste Rausch- und Störspannungen bei Stillstand des Schwungrades. Uberschreiten
die Gebersignale die jeweilige Schwellenspannung, dann stehen an den Ausgängen der
Komparatoren Ausgangssignale an, die einem bistabilen Multivibrator zugeführt werden.
An dessen Ausgang sind Rechtecksignale abnehmbar.
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Nach einer Weiterbildung ist der Induktivgeber über einen niederohmigen
Widerstand mit Bezugspotential verbunden.
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Somit werden Spannungsspitzen des unbelasteten Induktivgebers vermindert
und die Variation der Geberspannung im oberen Drehzahlbereich verkleinert.
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Ein Kondensator zwischen Induktivgeber und Impulsformerstufe unterdrückt
störende Potentialunterschiede.
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Mit der einrichtung nach der Erfindung erzielt man insbesondere den
Vorteil, daß sich die Dctektionsschwellen unabgängig von der Impulshöhe auf etwa
die hälfte der Impulshöhe einstellen, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert
wird. Schwankende Impulshöhen infolge radialer und axialer Abstandsvariationen des
rotierenden Körpers vom Indukti.vgeber haben keinen Einfluß auf die Positionsbestimmung
eines Segments. Andererseits vermeidet man, daß wie bei einer etwa ständig niedrigen
Detektionsschwelle Störimpulse registriert werden, oder wie bei einer etwa ständig
hohen Detektionsschwelle Gebersignale, die kleiner als diese Schwellenspannung sind,
nicht registriert werden. Dadurch kann die Drehzahl eines rotierenden Körpers stets
mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Die Einrichtung nach der Erfindung arbeitet
auch bei sehr kleinen Drehzahlen, so im Anlasserbetrieb auch bei Temperaturen bis
unter -400C.
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Mit der Erfindung wird auch der Vorteil erzielt, daß die Einrichtung
ein Rechtecksignal liefert, das von Einbautoleranzen unabhängig ist. Schwankungen
der Spannungsabgabe des Induktivgebers, Abstandsvariationen des Induktivgebers und
magnetische Eigenschaften des Schwungrades werden durch die mitgeführte Detektionsschwelle
ausgeglichen. Ubliche Schwankungen des ohmschen Widerstandes und der Kapazität der
Einrichtung, wie auch Temperaturschwankungen von -400C bis 1100C bleiben praktisch
ohne Auswirkung auf das Rechtecksignal.
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Die variable Schwellenspannung paßt sich so schnell einer geänderten
Drehzahl an, daß auch bei einer beschleunigten Bewegung des rotierenden Körpers
eine verbesserte Registrierung aller Segmente gewährleistet bleibt.
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Hohe Gebersignale werden vom Induktivgeber über einen niederohmigen
Widerstand zum Schutz der Einrichtung teilweise abgeleitet. Gleichspannungspoentiale
werden durch einen
Kondensator, der zwischen Induktivgeber und Impulsformerstufe
angeordnet ist, ausgefiltert.
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Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung grob schematisch
wiedergegebenen Ausführungsbeispie.ls naher erläutert werden: Fig. 1 zeigt das Schaltbild
der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 veranschaulicht zu einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einrichtung die Abhängigkeit der Schwellenspannung von der
Induktivgeberspannung für mehrere mögliche Drehzahlen, Fig. 3 zeigt die mittels
einer festen Schwellenspannung gemessenen Impulse unterschiedlicher Impulshöhe und
gleicher Impulsbreite, Fig. 4 veranschaulicht die mittels einer erfindungsgemäßen
variablen und stets etwa der Hälfte der Impulshöhe entsprechenden Schwellenspannung
gemessenen Impulse unterschiedlicher Impulshöhe und gleicher Impulsbreite.
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An einem um eine Achse 1 rotierenden Schwungrad 2 gemäß Fig. 1 sind
Segmente 3 angeformt, deren Kanten 4 von einem Induktivgeber 5 registriert werden.
Der Induktivgeber 5 sendet dann am Segmentanfang und am Segmentende je einen Spannungsimpuls
unterschiedlicher Polarität aus. Diese werden einer Impulsformerstufe zugeführt,
die zwei auf unterschiedliche Impulsflanken ansprechende Komparatoren 6 und 7 aufweist.
Der Induktigeber 5 steht mit dem negativen Eingang 62 des ersten Komparators 6 und
mit dem positiven Eingang 71 des zweiten Komparators 7 über einen Spannungsteiler
8, 9 in Verbindung. Außerdem steht der Induktivgeber 5 über Peakdetektoren 10 und
11 mit den beiden übrigen Eingängen 61 und 72 der Komparatoren 6 und 7 in Verbindung.
Der erste Peakdetektor 10 weist eine erste Diode 12 auf, mit deren Kathode der Induktivgeber
5 verbunden ist und deren Anode sowohl mit einem ersten Kondensator 13, dessen zweiter
Anschluß auf Bezugspotent jal licgt, als auch mit dem
positiven
Eingang 61 des ersten Komparators 6 in Verbindung steht. Der zweite Peakdetektor
11 weist eine zweite Diode 14 auf, mit deren Anode der Induktivgeber 5 verbunden
ist und deren Kathode mit einem zweiten Kondensator 15, dessen zwei ter Anschluß
auf Bezugspotential liegt, und mit dem negativen Eingang 72 des zweiten Komparators
7 in Verbindung steht.
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Den Eingängen der Komparatoren 6 und 7 sind Spannungsteiler 8, 9;
16, 17 und 18, 19, jeder bestehend aus zwei ohmschen Widerständen, vorgeschaltet.
Die Abgriffe dieser Spannungsteiler sind mit den Komparatoren 6 und 7 verbunden,
ihre ersten Anschlüsse stehen mit dem Induktivgeber 5 in Verbindung und ihre zweiten
Anschlüsse sind mit Abgriffen eines weiteren Spannungsteilers 20, 21, 22, 23 verbunden.
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Dieser weitere Spannungsteiler 20, 21, 22, 23 besteht aus vier ohmschen
Widerständen 20 bis 23, die zwischen einer Spannungsquelle UB und Bezugspotential
angeordnet sind.
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Die Ausgänge 63 und 73 der beiden Komparatoren 6 und 7 sind mit den
beiden Eingängen 241 und 242 eines bistabilen Multivibrators 24 verbunden. An dessen
Ausgang 243 sind Rechtecksignale abnehmbar.
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Zur Dämpfung hoher Gebersignale ist der Induktivgeber 5 über einen
niederohmigen Widerstand 25 mit Bezugspotential verbunden.
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Ein weiterer Kondensator 26 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand
27 zwischen Induktivgeber 5 und Impulsformerstufe filtert hohe Gleichspannungspotentiale
aus. Dazu kann auch ein Spannungsteiler oder ein Transformator eingesetzt werden.
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Den Eingängen des bistabilen Multivibrators 24 wird über ohmsche Widerstände
28 und 29 von einem weiteren Spannungsteiler 30, 31 aus einer Spannungsquelle U1
auch ein festes
Grundpotential zugeführt. Zwischen dem positiven
Eingang 241 des bistabilen Multivibrators 24 und seinem Ausgang 243 ist ein ohmscher
Widerstand 32 zur Erzielung einer Hysterese geschaltet. Der Ausgang 243 des bistabilen
Multivibrators 24 steht über einen ohmschen Widerstand 33 mit einer Auswerteschaltung
34 in Verbindung.
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Kondensatoren 35, 36, 37 und 38 dienen der Entstörung bei Einsatz
der Einrichtung in einem Kraftfahrzeug.
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Fig. 2 veranschaulicht die Abhängigkeit der Schwellenspannung U5 am
positiven Eingang 61 des ersten Komparators 6 und am negativen Eingang 72 des zweiten
Komparators 7 von der Geberspannung UG am Induktivgeber 5. Dabei erhält man mit
der Drehzahl n der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine als Parameter eine Kurvenschar.
Die Schwellenspannung U5 ist linear mit der Geberspannung UG verknüpft, wobei sich
die Drehzahl n auf die Proportionalitätskonstante auswirkt.
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Bei einer festen Geberspannung UG, z.B. 10 Volt, steigt die Schwellenspannung
U5 mit zunehmender Drehzahl n an, erreicht aber nie den Wert der Geberspannung UG
Bei einer Drehzahl n von ungefähr 300 U/min erreicht die Schwellenspannung US 50
% der Geberspannung UG. Eine sehr niedrige Drehzahl n, wie sie im Anlasserbetrieb
auftritt, hat bei einer Einrichtung nach der Erfindung eine sehr kleine Schwellenspannung
Us zur Folge.
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Es können so auch kleine Impulse des Induktivgebers 5 registriert
und die Lage des rotierenden Schwungrades 2 an einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
zu jeder Zeit erkannt werden.
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Fig. 3 und 4 zeigen Spannungsimpulse 40, 41, 42 und 43 gleicher Impulsbreite
und unterschiedlicher Impulshöhc, die vom Induktivgeber 5 ausgehen. Auf der Abszisse
ist jeweils die Zeit t und auf der Ordinate die C.eberspannung UG aufgetragen. Um
einen wesentlichen Vorteil der Erfindung zu vcr-
deutlichen, sind
an sich zeitlich nacheinander folgende Impulse 40, 41, 42 und 43 gleichzeitig dargestellt.
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Eine feste Schwelle 44, wie sie bisher verwendet wird, regi.striert
gleichzeitige Spannungsimpulse 40, 41 und 42 zu unterschiedlichen Zcitpunkten 50,
51 und 52, die von der Steilheit der Impulsflanken abhängen (vgl. Fig. 3).
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Der Impuls 43 ist kleiner als die feste Schwelle 44 und wird daher
überhaupt nicht registriert.
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Eine variable Schwelle 45 hingegen wird nach der Erfindung unabhängig
von der jeweiligen Impulshöhe auf etwa die Hälfte der Impulshöhe eingestellt (vgl.
Fig. 4). Dadurch wird jeder der Spannungsimpulse 40, 41, 42 und 43 unabhängig von
seiner Impulshöhe zum gleichen Zeitpunkt 46 registriert.
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Auch der kleine Impuls 43 wird sicher registriert.
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6 Patentansprüche 4 Figuren