DE4444362A1 - Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines rotierenden Teils - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines rotierenden Teils nach der Gattung des Haupt­ anspruchs. Aus der DE-PS 31 36 746 ist ein Verfahren zur elektronischen Überwachung des Öffnungs- und Schließvorgangs von elektrisch betriebenen Aggregaten bekannt, bei dem die Drehzahl eines rotierenden Teils von wenigstens einem digi­ talen Sensorelement erfaßt wird. Ein derartiges digitales Sensorelement gibt bei jeder vollständigen Umdrehung des Teils einmal einen H-Pegel und einmal einen L-Pegel ab. Das Tastverhältnis des Sensorsignals ist aufgrund der Toleranzen im allgemeinen nicht exakt 1 : 1, so daß es nicht ohne weite­ res möglich ist, nur aus der Zeitdauer, während entweder der H-Pegel oder der L-Pegel aufgetreten ist, die augenblickli­ che Drehzahl zu ermitteln. Eine exakte Ermittlung der Dreh­ zahl im Sinne eines Mittelwerts über eine Umdrehung des ro­ tierenden Teils ist demnach nur bei gleichen Signalübergän­ gen von entweder dem L-Pegel auf H-Pegel oder von dem H-Pe­ gel auf L-Pegel möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mit­ teln die Drehzahlinformation zu erhöhen.

Die Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei jedem Pegelübergang des Sensorsignals von L-Pegel auf H-Pe­ gel und von H-Pegel auf L-Pegel die exakte Drehzahl im Sinne eines Mittelwertes pro Umdrehung ermittelt wird. Die Dreh­ zahlinformation wird bei jeder Umdrehung des rotierenden Teils zumindest zweimal bereitgestellt.

Ein Pegelwechseldetektor stellt zunächst fest, daß ein Pe­ gelwechsel stattgefunden hat. Bei jedem aufgetretenen Pegel­ wechsel wird dann aus dem zwischen den Pegelwechseln liegen­ den vorletzten und letzten Zeitintervall ein Maß für die Drehzahl ermittelt und ausgegeben. Eine bereits vorhandene Signalerfassungs- und Auswerteeinrichtung, die entsprechend programmierbar ist, kann zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ohne zusätzliche weitere Mittel verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus abhängigen Ansprü­ chen.

Eine erste Ausgestaltung sieht eine unmittelbare Addition der zwei zwischen den letzten drei Pegelwechseln aufgetrete­ nen Zeitintervalle vor. Ein erster Pegelwechseldetektor stellt einen Übergang von L-Pegel auf H-Pegel und ein zwei­ ter Pegelwechseldetektor einen Übergang von einem H-Pegel auf einen L-Pegel fest. Die beiden Pegeldetektoren steuern jeweils Zeitermittlungen, deren Ergebnisse, die bei jedem Pegelwechsel zur Verfügung stehen, beispielsweise von einem Umschalter abwechselnd weitergeleitet werden.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, daß zunächst die bei jedem Pegelwechsel von L-Pegel auf H-Pegel und von H-Pe­ gel auf L-Pegel liegenden Zeitintervalle ermittelt werden und daß anschließend bei jedem Pegelwechsel die zwischen dem vorletzten und dem gerade aufgetretenen Pegelwechsel liegen­ den Zeitintervalle addiert und ausgegeben werden. Der Pegel­ wechseldetektor detektiert sowohl einen Übergang von L-Pegel auf H-Pegel und von H-Pegel auf L-Pegel.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht den Einsatz eines Kehrwertbildners vor, der die als Maß für die Drehzahl er­ mittelten Zeiten in eine Drehzahlinformation umrechnet.

Als Sensor, der ein digitales Signal abgibt, ist insbeson­ dere ein Magnetfeldsensor geeignet, der mit einem mit dem rotierenden Teil verbundenen Permanentmagneten zusammen­ wirkt. Geeignet ist beispielsweise ein Halleffektsensor. Der Einsatz von mehr als einem digitalen Sensor, wobei die Sen­ soren bezogen auf den Umfang des rotierenden Teils gegenein­ ander versetzt angeordnet sind, ermöglicht die weitere Erhö­ hung der Drehzahlinformation.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Verstellantriebe geeignet, wobei mit einem einfachen und preiswerten Drehzahlsensor dennoch eine erhöhte Drehzahlin­ formation sowie gegebenenfalls eine Positionsinformation be­ reitgestellt werden soll. Die Positionsinformation kann aus dem von wenigstens einem Pegelwechseldetektor abgegebenen Signal abgeleitet werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus weiteren ab­ hängigen Ansprüchen in Verbindung mit der folgenden Be­ schreibung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Er­ mitteln der Drehzahl eines rotierenden Teils, Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung und Fig. 3 zeigt in den Fig. 1 und 2 jeweils auftretende Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit.

Fig. 1 zeigt ein mit einem magnetischen Nord- und Südpol 10, 11 ausgebildetes Geberrad 12, das mit einem nicht näher gezeigten rotierenden Teil verbunden ist und eine dem rotie­ renden Teil entsprechende Drehbewegung ausführt. Das das Ge­ berrad 12 umgebende Magnetfeld wird von einem ersten und zweiten magnetfeldempfindlichen Sensor 13, 14 jeweils erfaßt und in ein entsprechendes erstes und zweites digitales Si­ gnal 15, 16 umgewandelt.

Das erste digitale Signal 15 wird einer ersten und zweiten Zeitermittlung 17, 18 sowie einem ersten und zweiten Pegel­ detektor 19, 20 zugeleitet. Die beiden Zeitermittlungen 17, 18 geben die ermittelten Zeiten an einen Umschalter 21 ab, der von Ausgangssignalen der Pegeldetektoren 19, 20 betätigt wird. Ein Ausgangssignal 22 des Umschalters 21 ist ein Maß für die Drehzahl des mit dem Geberrad 12 verbundenen rotie­ renden Teils, das in einem nachgeschalteten Kehrwertbildner 23 in eine Drehzahlinformation umgerechnet werden kann.

Das zweite digitale Signal 16, das der zweite magnetfeldemp­ findliche Sensor 14 abgibt, wird einer in Fig. 1 nicht nä­ her gezeigten Auswerteanordnung zugeleitet, die identisch mit der bereits beschriebenen Anordnung sein kann, der das vom ersten magnetfeldempfindlichen Sensor 13 abgegebene er­ ste digitale Signal 15 zugeführt ist.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführung einer Auswertean­ ordnung für das erste digitale Signal 15 gezeigt. Diejenigen in Fig. 2 gezeigten Teile, die mit den in Fig. 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen jeweils dieselben Bezugszei­ chen. Das erste digitale Signal 15 wird sowohl einem dritten Pegeldetektor 30 als auch einer dritten Zeitermittlung 31 zugeleitet. Die dritte Zeitermittlung 31 wird vom dritten Pegeldetektor 30 gesteuert und erfaßt die in einzelnen In­ tervallen vergangene Zeit. In einer der dritten Zeitermitt­ lung 31 nachgeschalteten Speicheranordnung 32 steht neben einer zuletzt ermittelten Zeit des letzten Intervalls I_n auch die ermittelte Zeit des vorletzten Intervalls I_n-1 zur Verfügung. Eine der Speicheranordnung 32 nachgeschalteten Additionsanordnung 33 bildet die Summe der ermittelten Zei­ ten der beiden Intervalle I_n, I_n-1 und gibt als Ausgangssi­ gnal 22 das Maß für die Drehzahl des mit dem Geberrad 12 verbundenen rotierenden Teils aus. Das Ausgangssignal 22 wird gegebenenfalls im Kehrwertbildner 23 in eine Drehzahl­ information umgerechnet.

Fig. 3 zeigt Signalverläufe in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei im oberen Teilbild das vom ersten magnetfeldempfindli­ chen Sensor 13 abgegebene erste Sensorsignal 15 dargestellt ist. Das erste digitale Signal 15 weist einen L-Pegel L und einen H-Pegel H auf. Angenommen wurde, daß im ersten digita­ len Signal 15 zu einem ersten Zeitpunkt T_N ein erster Pegel­ wechsel 40 vom H-Pegel H auf den L-Pegel L aufgetreten ist. Der H-Pegel H beginnt mit einem zweiten Pegelwechsel 41, der zu einem zweiten Zeitpunkt T_N-1 aufgetreten ist. Die Zeit­ differenz zwischen dem ersten Zeitpunkt T_N und dem zweiten Zeitpunkt T_N-1 entspricht dem zuletzt ermittelten Intervall I_N, das im zweiten Teilbild von Fig. 3 dargestellt ist.

Mit dem zweiten Pegelwechsel 41 zum zweiten Zeitpunkt T_N-1 endet gleichzeitig das vorletzte Intervall I_N-1 das zu ei­ nem dritten Zeitpunkt T_N-2 mit einem dritten Pegelwechsel 42 begonnen hat.

Im dritten Teilbild von Fig. 3 ist eine Periodendauer T_R eingetragen, die sich aus der Addition des zuletzt ermittel­ ten Intervalls I_N und des vorletzten Intervalls I_N-1 ergibt. Die Periodendauer T_R entspricht der für eine Umdrehung des Geberrades 12 benötigten Zeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in Fig. 1 gezeigten Anordnung in Verbindung mit den in Fig. 3 gezeig­ ten Signalverläufen in Abhängigkeit von der Zeit t näher er­ läutert:

Die beiden Pegelwechseldetektoren 19, 20 detektieren jeweils entweder nur einen Pegelwechsel von L-Pegel L auf H-Pegel H oder von H-Pegel H auf L-Pegel L. In Fig. 1 ist angenommen, daß der erste Pegeldetektor 19 den Übergang von L-Pegel L auf H-Pegel H und der zweite Pegeldetektor 20 den Übergang von H-Pegel auf L-Pegel detektiert. Die Ausgangssignale der Pegeldetektoren 19, 20 werden den Zeitermittlungen 17, 18 zugeführt, welche jeweils die zwischen den Pegelwechseln 40, 41, 42 liegenden Zeiten erfassen. Nach jedem aufgetretenen Pegelwechsel 40, 41, 42 enthält entweder die erste oder die zweite Zeitermittlung 17, 18 die Periodendauer T_R, die je­ weils den verstrichenen Zeiten zwischen dem ersten und dem dritten Zeitpunkt T_N, T_N-2 entsprechen. Das Ausgangssignal 22 als Maß für die Drehzahl bei jedem Pegelwechsel 40, 41, 42 wird erhalten mit dem Umschalter 21, der in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Pegeldetektoren 19, 20 entweder das Ergebnis der ersten Zeitermittlung 17 oder der zweiten Zeitermittlung 18 als Ausgangssignal 22 bereitstellt. Gege­ benenfalls ist der Kehrwertbildner 23 vorgesehen, der die zeitbezogene Größe des Ausgangssignals 22 in eine drehzahl­ bezogene Größe durch Kehrwertbildung umrechnet.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, daß die von den Zeitermittlungen 17, 18 ermittelten Periodendauern T_R unmit­ telbar in drehzahlbezogene Größen umgewandelt und anschlie­ ßend vom Umschalter 21 als Ausgangssignal 22 bereitgestellt werden.

Das vom zweiten magnetfeldempfindlichen Sensor 14 abgegebene zweite digitale Sensorsignal 16 kann einer Auswerteanordnung zugeführt werden, die der beschriebenen Auswerteanordnung entspricht. Mit dieser Maßnahme kann die Drehzahlinformation weiterhin dadurch erhöht werden, daß innerhalb einer Umdre­ hung des mit dem Geberrad 12 verbundenen rotierenden Teils vier Drehzahlwerte bereitgestellt werden. Erforderlich ist ein bezogen auf den Umfang des Geberrades 12 vorhandener Versatz zwischen den beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren 13, 14. Anstelle der in Fig. 1 eingetragenen zwei magnet­ feldempfindlichen Sensoren 13, 14 ist es ohne weiteres mög­ lich, weitere derartige Sensoren, verteilt auf den Umfang des Geberrades 12 zur weiteren Erhöhung der Drehzahlinforma­ tion zu verteilen.

Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Permanentmagneten mit ei­ nem Nord- und Südpol 10, 11 ausgebildeten Geberrades 12, das mit entsprechenden magnetfeldempfindlichen Sensoren 13, 14 zusammenwirkt, sind auch andere Sensorsysteme, beispielswei­ se Lichtschranken oder beispielsweise induktive Gebersysteme geeignet, die bei jeder Umdrehung des rotierenden Teils ein­ mal einen H-Pegel H und einmal einen L-Pegel L abgeben. Ge­ gebenenfalls sind entsprechende Verstärkeranordnungen mit Schmitt-Trigger erforderlich, die ein analoges Signal in ein definiertes Digitalsignal umwandeln.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß das Ausgangssignal 22, das zweimal pro Umdrehung des Geberrades 12 zur Verfügung steht, dennoch ein exaktes Maß für die Drehzahl während einer vollständigen Umdrehung des Geberrades 12 wiedergibt, obwohl das Sensorsystem, das das Geberrad 12 und wenigstens einen digitalen Sensor 13, 14 enthält, ein digitales Signal 15, 16 bereitstellt, dessen Tastverhältnis gegebenenfalls erheblich von 1 : 1 abweichen kann. In Fig. 3 ist das von 1 : 1 abweichende Tastverhältnis dadurch zum Ausdruck gebracht, daß das Intervall I_N-1 länger ist als das Intervall I_N, wobei für die Darstellung eine derart erhebliche Drehzahländerung innerhalb einer Umdrehung des Geberrades 12 ausgeschlossen sein soll.

Die in Fig. 2 gezeigte alternative Auswerteanordnung für das erste digitale Signal 15 arbeitet folgendermaßen:
Der dritte Pegeldetektor 30 gibt bei jedem Pegelwechsel 40, 41, 42 ein Signal zumindest an die dritte Zeitermittlung 31 ab. Die dritte Zeitermittlung 31 ermittelt die Zeitdauer je­ des einzelnen Intervalls I_N, I_N-1. In der Speicheranordnung 32 stehen zumindest die Zeit des zuletzt ermittelten Inter­ valls I_N und die Zeit des vorletzten Intervalls I_N-1 als ab­ gespeicherte Werte zur Verfügung. Das ständige Aktualisieren der Werte zu den Pegelwechseln 40, 41, 42 erfolgt über ein Ausgangssignal des dritten Pegeldetektors 30.

Die Additionsanordnung 33 ermittelt ebenfalls in Abhängig­ keit von einem Ausgangssignal des dritten Pegeldetektors 30 bei jedem Pegelwechsel 40, 41, 42 die Summe der Zeiten des zuletzt ermittelten Intervalls I_N und des vorletzten Inter­ valls I_N-1, die in der Speicheranordnung 32 hinterlegt sind und gibt das Ausgangssignal 22 als Maß für die Drehzahl aus. Gegebenenfalls kann wieder der Kehrwertbildner 23 vorgesehen sein, der das auf die Zeit bezogene Ausgangssignal 22 in ein drehzahlbezogenes Signal umrechnet.

Entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Signalauswerteanord­ nung kann auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei­ spiel die Umrechnung von einer zeitbezogenen auf eine dreh­ zahlbezogene Größe bereits vor der in der Additionsanordnung 33 vorzunehmenden Summenbildung vorgesehen sein.

Die anderen bereits zu Fig. 1 beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind gleichermaßen zum Einsatz bei der in Fig. 2 gezeigten Auswerteanordnung möglich.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines rotierenden Teils, mit wenigstens einem Sensor, der ein digitales Signal abgibt, das bei jeder vollständigen Umdrehung des Teils ein­ mal einen H-Pegel und einmal L-Pegel annimmt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Pegelwechseldetektor (17, 18, 30) vor­ gesehen ist, der bei jedem Pegelwechsel (40, 41, 42) ein Si­ gnal bereitstellt und daß bei jedem aufgetretenen Pegelwech­ sel (40, 41, 42) ein aus der Dauer (T_R) für eine vollstän­ dige Umdrehung des rotierenden Teils ermitteltes Ausgangssi­ gnal (22) als Maß für die Drehzahl ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (T_R) für eine vollständige Umdrehung des rotieren­ den Teils aus der Addition von zwei zwischen den letzten drei Pegelwechseln (40, 41, 42) aufgetretenen Intervallen (I_N, I_N-1) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (T_R) für eine vollständige Umdrehung des rotieren­ den Teils von zwei Zeitermittlungen (17, 18) jeweils ermit­ telt wird, wobei die eine Zeitermittlung (17) die Dauer (T_R) zwischen den Pegelwechseln (40, 41) von H-Pegel (H) auf L- Pegel (L) und die andere Zeitermittlung (18) die Dauer (T_R) zwischen den Pegelwechseln (41) von L-Pegel (L) auf H-Pegel (H) ermittelt wird und daß ein Umschalter (21) bei jedem Pegelwechsel (40, 41, 42) die zuletzt berechnete Dauer (T_R) als Ausgangssignal (22) abgibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kehrwertbildner (23) vorgesehen ist, der zeitbezogene Größen in drehzahlbezogene Größen umrechnet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als digitaler Sensor (13, 14) ein magnetfeldempfindlicher Sensor (13, 14) vorgesehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem rotierenden Teil verbundenes Geberrad (12) vor­ gesehen ist, das einen Permanentmagneten enthält, der einen Nord-Südpol aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein digitaler Sensor (13, 14) vorgesehen ist, die bezogen auf den Umfang des rotierenden Teils gegeneinander versetzt angeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung bei einem Verstellantrieb.