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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Drehzahl und der Richtung einer rotierenden Welle und insbesondere
auf eine derartige Vorrichtung, bei der ein Rotor mit Zähnen oder
Lücken
mit ungleichen Abständen
eingesetzt wird.
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Moderne
Fahrzeuge weisen elektronische Steuerungseinrichtungen auf, um den
Betrieb des Fahrzeugs zu überwachen
und den Motor, das Getriebe und andere Systeme mit Informationen
zur Funktionssteuerung zu versorgen. Ein Parameter, der in mehreren
Systemen des Fahrzeugs überwacht wird,
ist die Drehzahl rotierender Komponenten. Derartige rotierende Komponenten
sind im Getriebe, im Antriebstrang und in den Rädern vorhanden.
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Die
meisten vorbekannten Systeme ermitteln die Drehzahl dieser Komponenten,
liefern jedoch häufig
keine Richtungsinformation. Bei derartigen Systemen wird die Drehbewegung
einer rotierenden Komponente durch einen Sensor ermittelt. Üblicherweise
ist dazu ein mit einer rotierenden Welle derart verbundener Rotor
mit einer Mehrzahl von mit gleichmäßigem Abstand angeordneten
Zähnen
versehen, daß der
Rotor mit der Welle rotiert. An einer Position nahe dem Rotor ist
ein Aufnahmesensor angeordnet, um die Zähne abzutasten, wenn der Rotor
sich unter dem Sensor entlang bewegt. Weiterhin ist eine Steuerungseinrichtung
vorgesehen, die ein Signal von dem Sensor empfängt. Durch Zählen der
Zähne und Messen
der Zeit kann die Steuerungseinrichtung die Drehzahl der Welle berechnen.
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Bei
den meisten vorbekannten Systemen sind zusätzliche Sensoren erforderlich,
um die Rotationsrichtung der Komponente zu bestimmen. Bei einem
bekannten System sind zwei Sensoren in einem bestimmten räumlichen
Verhältnis
zu den Zähnen des
Rotors angeordnet. Durch die Sensoren werden relative Zeiten ermittelt,
an denen eine Flanke detektiert wird. Hieraus kann die Steuerungseinrichtung die
Rotationsrichtung ermitteln. Der zusätzliche Sensor erhöht jedoch
die Kosten des Systems und reduziert dessen Zuverlässigkeit.
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Bei
einer anderen Vorrichtung zum Messen der Rotationsrichtung ist als
Merkmal z.B. ein überdimensionierter
Zahn vorgesehen, oder es wird alternativ ein Zahn an dem Rotor weggelassen.
Ein derartiges System ist aus der
US-PS
49 72 332 (Luebbering et al.), erteilt am 20. November
1992, offenbart. Die Vorrichtung gemäß diesem Patent weist einen Rotor
mit dem beschriebenen Merkmal auf. Gemäß der genannten Patentschrift
sind ein unterdimensionierter Zahn, der von einem normalbemessenen Zahn
umgeben ist, und zwei aufeinanderfolgende unterdimensionierte Zähne vorgesehen,
die von dem ersten unterbemessenen Zahn durch drei normalbemessene
Zähne getrennt
sind. Die Vorrichtung ermittelt sowohl die ansteigenden als auch
die abfallenden Flanken der Zähne,
um die Drehzahl und die Richtung des Rotors zu bestimmen. Die Richtung
des Rotors wird durch Identifikation des einzelnen unterdimensionierten
Zahnes bestimmt.
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Wenn
die bekannte Vorrichtung drei normalbemessene Zähne, gefolgt von zwei unterdimensionierten
Zähnen,
ermittelt, ist eine erste Richtung festgestellt. Falls die oben
angegebene Sequenz nicht ermittelt wird, entscheidet die Steuerungseinrichtung, daß die Welle
in die entgegengesetzte Richtung ro tiert. Bei der Vorrichtung gemäß dem genannten
Patent müssen
daher mehrere Zähne
an dem Sensor vorbeirotieren, bevor die Rotationsrichtung bestimmt werden
kann, und daher verstreicht eine relativ lange Zeit, bevor die Richtung
bestimmbar ist. Da das in dem Patent verwendete Verfahren die Flanke
der Zähne
ermittelt, muß ferner
ein Halleffekt-Sensor eingesetzt werden, um die Flanken des Zahnes
genau zu ermitteln. Ein Halleffekt-Sensor ist ein aktiver Sensor
mit einem integrierten Schaltkreis, der einen Spannungseingang benötigt, somit
ein relativ komplizierter Sensor. Bei einem Halleffekt-Sensor können gelegentliche
Zuverlässigkeitsprobleme
auftreten. Außerdem
ist dieser für
eine Temperaturänderung
in seiner Betriebsumgebung empfindlich.
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Aus
der
US-PS 53 71 460 (Coffman
et al.), erteilt am 6. Dezember 1994, ist ein weiteres System zum
Messen der Drehzahl und der Rotationsrichtung einer Welle bekannt.
Ein Rotor ist mit einem Zähnepaar
versehen, das unterschiedliche Weiten bzw. Breiten aufweist. Die
unterschiedlich breiten Zähne sind
mit Abstand in Umfangsrichtung um den Rotor herum angeordnet. Wie
bei der
US-PS 49 72 332 werden
gemäß diesem
Patent die Flanken der Zähne gemessen
und die Breite des Zahns nach dem Ermitteln jeder Flanke des Zahns
bestimmt. Die bekannte Vorrichtung kann die Folge der Zähne feststellen
und bestimmt hieraus, in welche Richtung die Welle rotiert. Wie
bei der
US-PS 49 72 332 ist
bei diesem Ansatz ein Halleffekt-Sensor erforderlich, um die Flanke der
Zähne zu
ermitteln, wie vorstehend bereits beschrieben. Da die Zähne paarweise
vorgesehen sind, müssen
ferner die Lücken
zwischen den Zähnen ebenfalls
differieren, andernfalls würde
das offenbarte Verfahren nicht funktionieren, da abwechselnd ein breiter
und ein schmaler Zahn beobachtet werden würde, gleich ob die Welle im
Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn rotieren würde.
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Die
DE 42 33 549 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und der Drehrichtung
einer rotierenden Welle, bei welcher auf der Welle ein Rotor vorgesehen
ist mit drei in Umfangsrichtung mit zunehmendem Abstand angeordneten Zähnen beziehungsweise
Lücken
sowie einem Sensor in Form einer Spule, welcher das Passieren der Zähnen beziehungsweise
Lücken
registriert und ein entsprechendes Signal an eine Auswerteeinrichtung abgibt.
Die zwischen dem Passieren zweier Zähne beziehungsweise Lücken verstreichende
Zeit kann somit gemessen werden, wobei aus der beobachteten Reihenfolge
der Zeitdifferenzen (kurz/mittel/lang oder lang/mittel/kurz) auf
die Drehrichtung der Welle geschlossen werden kann. Die Drehrichtung
der Welle ergibt sich demnach daraus, ob die Abstände zwischen
den gemessenen Passagen eines Zahnes oder einer Lücke innerhalb
einer Periode zunehmen oder abnehmen. Nachteilig bei dieser bekannten
Vorrichtung ist, dass sie im wesentlichen nur bei etwa konstanten
Drehzahlen und vorzugsweise in einem mittleren Drehzahlbereich zuverlässig arbeitet.
wenn dagegen Drehzahlbeschleunigungen auftreten, kann es zu einem
Versagen der Vorrichtung kommen.
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In
der vorangemeldeten und nachveröffentlichten
DE 197 50 304 A1 wird
eine Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und der Drehrichtung
einer rotierenden Welle beschrieben, bei der auf der Welle ein Rotor
mit einer Vielzahl von sogenannten Polpaaren angeordnet ist, wobei
jedes Polpaar beim Passieren eines nahe des Rotors angeordneten
Sensors dort einen Impuls auslöst.
Die Anordnung der Polpaare ist dabei so gewählt, dass bei einer Drehung der
Welle der Zeitabstand zwischen Signalen benachbarter Polpaare je
nach Drehrichtung zunimmt oder abnimmt. Somit lässt sich aus der Zunahme oder
Abnahme aufeinanderfolgender Zeitdifferenzen zwischen Signalen auf
die Drehrichtung der Welle schließen.
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Die
DE 43 13 497 A1 betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen der Bewegungsrichtung eines Objektes,
wobei aus Sicherheitsgründen
vorgesehen ist, dass oberhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeit
jede Änderung
des Richtungssignals verhindert wird.
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Es
erweist sich daher als wünschenswert, eine
Vorrichtung zum Messen der Drehzahl und der Richtung einer rotierenden
Welle unter Verwendung eines einfachen Sensors zur Verfügung zu
stellen. Es wäre
weiterhin wünschenswert,
eine Vorrichtung zu schaffen, bei der eine Beschleunigung ausgeglichen wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin,
eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl und der Richtung einer
rotierenden Welle unter Verwendung eines einfachen Sensors zur Verfügung zu
stellen, die bei veränderlichen
Drehzahlen eine zuverlässige
Bestimmung der Drehrichtung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Zur
Lösung
der genannten Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl
und der Richtung einer rotierenden Welle geschaffen. Hierzu ist ein
Rotor mit der Welle verbunden. Der Rotor weist drei in Umfangsrichtung
beabstandet zueinander angeordnete Zähne auf. Der Abstand zwischen
den Mitten der drei Zähne
variiert, wobei der zweite Mittenabstand größer als der erste und der dritte
größer als der
zweite ist.
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Ein
Sensor ermittelt die Mitte jedes Zahns und erzeugt daraus ein Signal,
das von einem Computer empfangen wird. Der Computer bestimmt die Drehzahl
und die Rotationsrichtung der Welle, indem er eine erste Zeitdauer
zum Erreichen der Mitte des ersten Zahns, eine zweite Zeitdauer
zum Erreichen der Mitte des zweiten Zahns sowie eine dritte Zeitdauer
zum Erreichen der Mitte des dritten Zahns bestimmt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines
Systems zum Ermitteln der Drehzahl und der Richtung einer rotierenden
Welle gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines
Abschnitts eines Rotors aus 1,
wobei Zähne
dargestellt sind, die unter schiedliche Zahnmittenweiten gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
aufweisen;
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3 eine Darstellung der rohen
bzw. unbearbeiteten, vom Rotor aus 2 erzeugten
Wellenform, wie sie von einem Sensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
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4 eine bearbeitete Form
der Welle aus 3, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ein Flußdiagramm
zum Ermitteln der Rotationsrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Beispiel einer Fuzzylogik-Abbildungsstrategie
für die
vorliegende Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum
Ermitteln der Drehzahl und der Richtung einer rotierenden Welle 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Vorrichtung 10 weist einen Rotor 14 auf,
der an der Welle 12 befestigt ist, so daß die Welle 12 und
der Rotor 14 gemeinsam rotieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Rotor 14 der vorliegenden Erfindung auf einer Getriebewelle
angeordnet, um deren Drehzahl und Rotationsrichtung zu ermitteln.
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Wenn
nachfolgend von Abständen
der Zahnmitten bzw. Zahnlücken
die Rede ist, so beziehen sich diese Abstände im allgemeinen auf die
Abstände der
jeweiligen Zahnmitte bzw. Zahnlücke
von der jeweils vorhergehenden Zahnmitte bzw. Zahnlücke.
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In 2 ist ein Abschnitt eines
bevorzugten Rotors 14 dargestellt, der einen ersten Zahn 20 mit einem
ersten Zahnmittenabstand 22 aufweist, gefolgt von einem
zweiten Zahn 30 mit einem zweiten Zahnmittenabstand 32,
dessen Abmessung größer als
der Mittenabstand 22 des ersten Zahns 20 ist.
Ein dritter Zahn 40 ist nach dem zweiten Zahn 30 vorgesehen. Der
dritte Zahn 40 weist einen dritten Zahnmittenabstand 42 auf,
dessen Abmessung größer als
der Mittenabstand 32 des zweiten Zahns 30 ist.
Dieses Muster einer schmalen Zahnmitte 20, einer mittelbreiten Zahnmitte 30 und
einer breiten Zahnmitte 40 wiederholt sich um den Umfang
des Rotors 14 herum. Die Anzahl der Zähne ist durch die Größe der Welle 12 und
des Rotors 14 sowie durch die Auflösung bestimmt, die zum Ermitteln
der Drehzahl und der Richtung gewünscht ist. wie ersichtlich,
kann ein einziger Satz von drei Zähnen vorgesehen sein, aus denen die
drei Zahnmittenunterschiede festgelegt sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind jedoch mehrere Sätze
vorgesehen, um die Frequenz der Messungen zu erhöhen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform,
wie in 2 dargestellt,
weist jeder der Zähne 20, 30, 40 dieselbe
Breite auf. Der Abstand oder die Lücken 62, 64, 66 zwischen
den Zähnen 20, 30, 40 variieren,
um die verschiedenen Mittenabstände
auszubilden. Wie in 2 dargestellt,
ist ein vierter Zahn 21 als Bezug bzw. Referenz vorgesehen,
um eine Lücke 62 zwischen
der Mitte des ersten Zahns 20 und der Mitte eines in Umfangsrichtung
mit Abstand dazu angeordneten Zahns 21 auf der gegenüberliegenden
Seite des zweiten Zahns 30 festzulegen. Falls nur drei
Zähne vorgesehen
würden,
fiele der Referenzzahn 21 mit dem dritten Zahn 40 zusammen.
In der bevorzugten Ausführungsform
sind jedoch aufgrund der Auflösung
zusätzliche
Zähne vorgesehen,
durch die auch die Geschwindigkeit der Ablesungen verbessert wird.
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In
der in 2 dargestellten
Ausführungsform
ist ein Rotor mit acht Gruppen von drei Zähnen 20, 30, 40 versehen.
Die Zahnmittenweiten 22, 32, 42 betragen
12, 15 und 18 Grad bzw. sind durch diese Winkel getrennt. Die Zähne 20, 30, 40, 21 haben
eine Breite von 6 Grad. Folglich erstreckt sich der erste Zahn 20 über einen
Winkel von Null bis 6 Grad, der zweite Zahn 30 von einem
Winkel von 12 bis 18 Grad und der dritte Zahn 40 über einen
Winkel von 27 bis 33 Grad. Dieses Muster wird über den Umfang des Rotors 14 wiederholt.
Die Zahnmitten sind deshalb bei 3, 15 und 30 Grad, entsprechend
wiederholt um den Umfang des Rotors 14 . Die Mitten der
Lücken 62, 64 und 66 sind
bei 9, 22,5 und 39 Grad vorgesehen, wiederholt um den Umfang des
Rotors 14. Folglich sind die Mitten der Lücken 62, 64, 66 durch
16,5, 15 und 13,5 Grad getrennt, und die Breiten der Lücken 62, 64, 66 betragen
6, 9 und 12 Grad.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform variieren
die einzelnen Zahnbreiten, wohingegen die Lücken 62, 64, 66 eine
konstante Breite bzw. Weite aufweisen. Daher können die Mitten der Zähne in einer ähnlichen
Nachbarbeziehung unter Verwendung von Zähnen 20, 30, 40 mit
nichtkonstanten Breiten angeordnet sein.
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Wie
in 1 dargestellt, ist
nahe dem Rotor 14 ein Sensor 50 vorgesehen. Der
Sensor 50 ermittelt das Vorbeilaufen bzw. Passieren der
Zähne 20, 30, 40 während der
Rotation des Rotors 14. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Sensor 50 einen Sensor mit variabler Reluktanz
(VR-Sensor) auf. Der VR-Sensor erzeugt ein Signal, das basierend
auf der Nähe
der Zähne 20, 30, 40 und
der Lücken 62, 64, 66,
die auf dem Rotor 14 vorgesehen sind, variiert. Der VR-Sensor
weist einen Magnet nahe einer Spule auf . Wenn das Profil des Rotors 14 den
Sensor 50 passiert, wie in 3 dargestellt,
wird ein charakteristisches Signal 60 für den in 2 dargestellten Rotor 14 erzeugt,
das eine Sinuswellenform aufweist. 3 stellt
ein 24-Zähne-Rad
mit einem Muster von Zähnen
dar, die mit einem Abstand von 12, 15 und 18 Grad angeordnet sind;
das Rad rotiert mit konstanter Drehzahl bzw. Geschwindigkeit.
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Wenn
der VR-Sensor 50 eine Änderung
im Abstand zwischen dem Sensor und einem der Zähne ermittelt, gibt der Sensor 50 eine
Spannung ab, die zu der Änderungsrate
des Flusses aufgrund der magnetischen Reluktanz des Rotors 14 unmittelbar nahe
dem Sensor 50 proportional ist, wie z . B. ein Zahn (po sitive
Spannung, ansteigend mit der Überlappung
Zahn/Sensor 50) oder eine Lücke (negative Spannung, wobei
die Amplitude ansteigt, wenn die Überdeckung Zahn/Sensor 50 abnimmt).
Wenn der Sensor 50 die Mitte eines Zahns oder einer Lücke ermittelt, überquert
das Signal 60 die y-Achse bei dem wert Null 61 für die Spannung
(d.h. Nullrate der Flußänderung).
Die Spitzen des Signals 60 stellen die Flanken des jeweiligen
Zahns oder der jeweiligen Lücke
dar.
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Bei
Verwendung eines VR-Sensors 50 wird bevorzugt die Mitte
der Zähne
gegen die Flanken gemessen. Das Messen der Flanken würde ein
Messen der Spannung und deren Verarbeiten erfordern, um die Zeiten
zu bestimmen, bei denen die Spitzen auftreten. In einer üblichen
Anwendung können
die Spitzenspannungen von wenigen Zehnteln Volt bis 100 Volt variieren,
außerdem
kann die Frequenz von 10 Hz bis zu mehreren Tausend Hz variieren.
Ein Nulldurchgangs-Detektor kann mit einem kleinen Eingangsspannungsbereich
arbeiten, beispielsweise von plus 2,5 Volt bis minus 2,5 Volt, wobei
dieses Signal an den Grenzen abgekappt wird, wenn das Eingangssignal
außerhalb
dieses Bereiches liegt. Die Ermittlung einer Spitze ist eine kompliziertere,
weniger zuverlässige
und kostenintensivere Möglichkeit als
die Ermittlung eines Nulldurchgangs. Es ist daher bevorzugt, die
Mitten der Zähne
oder der Lücken 62, 64, 66 zu
messen, wie in 3 dargestellt,
indem die Nullspannungswerte nachgewiesen werden, wie oben beschrieben.
Daher unterscheidet sich der VR-Sensor 50 von einem Sensor
des Halleffekt-Typs des Standes der Technik, der die Größe des Flusses ermittelt
und nicht die Änderung
in dem Fluß.
Der vorbekannte Halleffekt-Sensor ermittelt die Flanken der Zähne 20, 30, 40 und
nicht die Mitten der Zähne 20, 30, 40 (oder
die Mitten der Lücken 62, 64, 66),
wie hier beschrieben.
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Das
von dem VR-Sensor 50 erzeugte Signal 60 wird be-
bzw. verarbeitet, um die in 4 dargestellte
Wellenform 70 auszubilden. Die Weite der bearbeiteten Wellenform 70 ist
proportional zu der Mittenweite 22, 32, 42 des
ermittelten Zahns. Folglich weist beispielsweise, wenn der Rotor 14 gegen
den Uhrzeigersinn rotiert, wie in 2 dargestellt,
das dargestellte Muster in der Wellenform 70 einen schmalen
Abschnitt 72 der Wellenform, wenn der dritte Zahn 40 den
Sensor 50 passiert, einen mittelbreiten Abschnitt 74,
wenn der zweite Zahn 30 passiert, und einen breiten Abschnitt 76 auf,
wenn der erste Zahn 20 den Sensor 50 passiert.
Alternativ würde
die Wellenform, wenn die Welle 12 im Uhrzeigersinn rotiert,
eine breite welle, gefolgt von einer mittelbreiten Welle und sodann
einer schmalen Welle aufweisen. Daher kann durch Abtasten der Mitten
von nur drei Zähnen 20, 30, 40 die
Rotationsrichtung von einem Computer 55 nachgewiesen werden.
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Falls
nur zwei Zähne
in einem wiederholten Muster vorgesehen wären, wäre der Computer
55 nicht
in der Lage, durch Messen nur zweier Zähne zu bestimmen, in welche
Richtung die Welle
12 rotiert, da das Muster in beiden
Richtungen schmal/breit/schmal/breit sein würde. Ein Beispiel eines Rotors,
auf den diese Beschreibung zutrifft, ist in
1 der
US-PS
53 71 460 dargestellt. Damit die vorliegende Erfindung
mit einem derartigen Rotor arbeiten kann, muß der Mittenabstand der Zähne und der
Mittenabstand der Lücken
gemessen werden, um ein brauchbares Muster auszubilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Sensor 50 einen VR-Sensor auf. Sensoren mit variabler
Reluktanz sind allgemein im Handel erhältlich.
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Im
Gegensatz zu dem in der
US-PS
49 72 332 verwendeten Halleffekt-Sensor benötigt ein VR-Sensor
50 nur
zwei Leitungen und keinen Stromeingang. Daher ist die Kompliziertheit
des Sensors
50 minimiert und folglich die Zuverlässigkeit
verbessert.
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Wie
in 3 dargestellt, überquert
die von dem VR-Sensor 50 erzeugte Spannung die Nullachse 61 bei
der Mitte des Zahns auf einer abfallenden Neigung 63 und
wieder bei der Mitte der Lücke
zwischen den Zähnen 65.
Die Zeit zwischen dem Nullspannungseingang für die abfallende Spannung wird von
einem Computer 55 überwacht,
wie z.B. einem Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) im Fall eines Getriebes,
um die Relativzeit zwischen Zahnmitten nachzuweisen. Daher ist der
Computer 55 in der Lage, die relative Breite des Zahns
und/oder der Lücke zu
bestimmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wurde ermittelt, daß die
Nullspannung des Zahns 63 bei einer Messung verlässlicher
ist als die Nullspannung der Lücke 65.
Daher wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Nullspannung
des Zahns 63 verwendet, die als eine abfallende Flanke
der Wellenform 60 dargestellt ist, wie in 3 gezeigt. Jedoch könnte auch die Spannung der
Lücke 65 in
einer alternativen Ausführungsform
verwendet werden, wie oben beschrieben. Wenn der Computer 55 eine Nullspannung
ermittelt, weist der Computer einem Register eine Zeit zu, wie weiter
unten beschrieben. Der Computer 55 mißt dann die Zeit, bei der die nächste Nullspannung
ermittelt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird, sobald die Rotationsrichtung ermittelt ist, wie oben beschrieben,
bei höheren
Drehzahlen nicht jeder Zahn gemessen. So wird beispielsweise oberhalb von
1000 U/min jeder dritte Zahn gemessen, da jeder dritte Zahn in einem
gleichen Abstand angeordnet ist. Auf diese Weise kann jede Beschleunigung
oder Verlangsamung leicht ermittelt werden, indem die Zeit, bei
der der vorherige dritte Zahn den Sensor 50 passiert hat,
mit der Zeit verglichen wird, in der der aktuelle dritte Zahn den
Sensor 50 passiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
speichert der Computer 55 die vier jüngsten Zeiten, zu denen eine
Zahnmitte ermittelt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird, wenn der Rotor 14 mit einer konstanten Drehzahl in
eine Richtung rotiert, irgendein Satz von vier aufeinanderfolgenden
Zahnmitten-Zeiten verwendet, um die Rotationsrichtung zu bestimmen.
Die Zeiten, bei denen die Zahnmitten den Sensor 50 pas sieren,
sind in dem Computer 55 als T0,
T1, T2 und T3 gespeichert. T0 ist
die jüngste
gemessene Zeit und T3 die von diesen älteste gemessene
Zeit. Der Computer 55 subtrahiert jede der Zeiten, um eine
Delta-Zeit zu bestimmen (z. B. die zwischen den Zähnen 20 und 30 oder 30 und 40 oder 40 und 20 verstrichene
Zeit). Die Delta-Zeiten T0-T1, T1-T2, und T2-T3 werden als kurz
(S), mittel (M) oder lang (L) klassifiziert, indem die einzelnen
Delta-Zeiten mit der mittleren Delta-Zeit verglichen werden.
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Eine
erste Richtung wird bestimmt, wenn ein Muster von Zähnen ermittelt
wird, bei dem der Computer 55 nachweist, daß T0-T1 S ist, T1-T2 M ist und T2-T3 L ist; oder
daß T0-T1 M ist, T1-T2 L ist und T2-T3 S ist, oder
daß T0-T1 L ist, T1-T2 S ist und T2-T3 M ist. Die entgegengesetzte
Richtung wird angezeigt, wenn T0-T1 S ist, T1-T2 L ist und T2-T3 M ist, oder wenn T0-T1 M ist, T1-T2 S ist und T2-T3 L ist oder wenn T0-T1 L ist, T1-T2 M ist und T2-T3 S ist.
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Wenn
die Welle 12 die Drehzahl ändert, ändern sich die mittleren und
einzelnen Delta-Zeiten umgekehrt proportional zur Drehzahl. Bei
niedrigeren Drehzahlen und höheren Änderungsraten
ist es möglich,
eine unkorrekte oder nichtschlüssige
Klassifikation der Delta-Zeiten als klein, mittel oder groß aufgrund
einer Beschleunigung zu erhalten. Die bevorzugte Ausführungsform
berücksichtigt
dies durch ein implizites Korrigieren bei einer Beschleunigung und durch
Verwenden eines robusten bzw. nichtanfälligen Klassifikationsverfahrens,
wie nachstehend beschrieben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Reihe bzw. Schlange von sechs aufeinanderfolgenden Zahnmitten-Zeiten
benutzt (die Zeit für
den abfallenden Übergang
des Signals in 4), um
die Daten für
die Klassifikation zu erzeugen, sowie ein Rückschluß- bzw. Inferenzalgorithmus
bei niedrigen Drehzahlen (vorzugsweise unterhalb 1000 U/min) eingesetzt.
In dieser Ausführungsform
stellen T0, T1, T2, T3, T4 und
T5 die Zeiten dar, bei der die Zahnmitten den
Sensor 50 passieren, wobei T0 die
neueste Zeit ist. Der Computer 55 berechnet drei Verhältnisse
: R1=(T1-T2)/(T0-T3),
R2=(T2-T3)/(T1-T4)
und R3=(T3-T4)/(T2-T5). Der Computer 55 vergleicht
auf diese Weise jede einzelne Delta-Zeit mit der Summe von drei
Delta-Zeiten, zu denen die derzeitige Delta-Zeit, die vorherige
Delta-Zeit und die nachfolgende Delta-Zeit gehören. Dadurch wird eine implizite
(und näherungsweise)
Korrektur für
eine konstante Beschleunigung der Welle 12 bewirkt.
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Wie
in dem Flußdiagramm
der 5 dargestellt, wird
der Vorgang zunächst
gestartet (Schritt 51), wobei zu dieser Zeit neue Daten
gesammelt werden (Schritt 52). Jeder Datenwert bzw. jede
Größe hat eine
Zeitmarke und wird in einer Schlange als Ti gespeichert,
wie oben beschrieben. Vorzugsweise werden Berechnungen bei niedrigen
Drehzahlen mit sechs Daten in der Schlange bzw. in Reihe durchgeführt 54.
Die Verhältnisse
Ri werden wie oben beschrieben gebildet
(Schritt 56), sodann werden die Zugehörigkeitswerte berechnet (Schritt 57),
und daraus wird die Richtung abgeleitet (Schritt 58). Schließlich wird
die Drehzahl berechnet (Schritt 59). In einer alternativen
Ausführungsform
werden T0-T3, T1-T4 und T2-T5 benutzt, um
Schätzungen
der Beschleunigung durchzuführen
und eine ausgeklügeltere
Korrektur für
die Beschleunigung zu erzielen. In einer derartigen Ausführungsform
wird die Reihenfolge bzw. Größenordnung
der Lücken
klassifiziert, indem von expliziten Schätzungen der Beschleunigung
Gebrauch gemacht wird.
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Die
vorliegende Erfindung weist ferner Einrichtungen zum Schützen der
rotierenden Welle 12 vor einer Umkehrung der Richtung bei
hohen Drehzahlen auf, wie z.B. in einem Getriebe. Wie vorstehend
beschrieben, wird bevorzugt eine Schlange von sechs aufeinanderfolgenden
Zahnmitten-Zeiten verwendet, um die Daten für die Klassifikation und den Inferenzalgorithmus
zu erzeugen. Wenn sich die Drehzahl jedoch erhöht, nimmt die Zeit ab, innerhalb derer
aufeinanderfolgende Zahnmitten den Sensor 50 passieren
und die partielle bzw. anteilige Drehzahländerung über drei Delta-Zeiten hinweg
ist ver nachlässigbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird
die Rotationsrichtung bei höheren
Drehzahlen, insbesondere über
1000 U/min, unter Verwendung von vier Zahnzeiten anstatt von sechs
bestimmt, wobei die Verhältnisse
(T0-T1)/(T0-T3), (T1-T2)/(T0-T3)
und (T2-T3)/(T0-T3) sind.
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Denn
das System könnte,
falls beispielsweise der Computer 55 zurückgesetzt
wird, während
das Fahrzeug mit einer Drehzahl der Abtriebswelle 12 oberhalb
von 1000 U/min die Straße
entlangfährt, nicht
in der Lage sein, sechs aufeinanderfolgende Zahnmitten-Zeiten zu
erhalten. Jedoch könnte
es in der Lage sein, vier aufeinanderfolgende Zahnmitten-Zeiten
zu messen. Folglich ist die Rotationsrichtung der Abtriebswelle
bestimmt und bekannt, wenn das Fahrzeug im Leerlauf erneut gestartet
wird und sich mit hohen Drehzahlen bewegt, wodurch das Getriebe
geschützt
wird. Beispielsweise soll das Getriebe nicht vom Leerlauf in den
Rückwärtsgang
geschaltet werden können,
während
das Fahrzeug oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl vorwärts fährt. Der
Computer 55 wird es daher dem Fahrer nicht ermöglichen,
einen Gang in dem Getriebe zu wählen,
der die Rotationsrichtung des Rotors 14 umkehren würde, bis
die Drehzahl der Welle 12 sich Null nähert.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ferner ein Filter vor, um durch Vibration
erzeugte Störungen
bzw. erzeugtes Rauschen zu isolieren. Der Sensor 50 mit variabler
Reluktanz mißt
im wesentlichen Änderungen
in dem Luftspalt zwischen dem Sensor 50 und dem Rotor 14.
Während
der Rotor 14 sich nicht dreht, kann der Rotor 14 Linear-
oder Rotationsvibrationen relativ zum Sensor 50 ausgesetzt
sein. Diese Vibrationen können
den Spalt variieren und daher eine Spannung vom Sensor 50 erzeugen.
Falls die Vibrationsquelle periodisch ist, wird dadurch bei Verwendung
eines herkömmlichen
vorbekannten Systems mit in gleichen Abständen voneinander angeordneten
Zielen das Signal von dem Computer 55 interpretiert, als
ob die Welle 12 mit einer konstanten, zu der Vibration
proportionalen Drehzahl rotiert. Ohne ein Filtern wird daher eine
vom Motor erzeugte Vibration zu einem Rauschen bzw. zu einer Störung führen, das
bzw. die ein Signal proportional zu den Maschinendrehzahlen erzeugt.
Es wurde festgestellt, daß die
Vibration normalerweise nicht dem oben beschriebenen Muster kurze
Periode/mittlere Periode/lange Periode gehorchen. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird daher das Signal bei niedrigen Drehzahlen gefiltert. Dabei
werden alle Daten gestrichen bzw. nicht berücksichtigt, die nicht einem
Muster lang/mittel/kurz oder kurz/mittel/lang entsprechen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird Fuzzylogik verwendet, um einen robusten bzw. nicht anfälligen Richtungsermittlungsalgorithmus
zu implementieren. Fuzzylogik-Techniken sind Fachleuten wohlbekannt
und werden deshalb nicht eingehender beschrieben. Nähere Einzelheiten
sind z.B. aus der Publikation Fuzzy Sets and Fuzzy Logic: Theory
and Applications, von George J. Klir und Bo Yuan (Prentice Hall
PTR, Upper Saddle River, New Jersey 07458. ISBN = 0-13-101171-5)
ersichtlich, auf die hinsichtlich der näheren Einzelheiten hier ausdrücklich Bezug
genommen wird.
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Dementsprechend
werden für
jedes Verhältnis
Ri (mit i=1,2,3) drei Zugehörigkeitswerte
Ai, Bi und Ci berechnet. Ai kann
im wesentlichen als die Stärke der
Feststellung bzw. Behauptung "Ri ist klein" , Bi als die
Stärke
von "Ri ist
mittel" und Ci als die Stärke von "Ri ist groß" interpretiert werden.
Die Stärke
der Behauptung bzw. Feststellung "die Welle 12 dreht sich in
Richtung 1" wird
unter Verwendung von Fuzzylogikregeln berechnet, um die Behauptung
zu bewerten "{ (R1 ist klein) und (R2 ist
mittel) und (R3 ist groß) } oder { (R1 ist
mittel) und (R2 ist groß) und (R3 ist
klein) } oder { (R1 ist groß) und (R2 ist klein) und (R3 ist
mittel) }". Die
Stärke
der Behauptung "die
Welle 12 dreht sich in Richtung 2" wird unter Verwendung
von Fuzzylogikregeln berechnet, um die Behauptung zu bewerten "{ (R1 ist klein)
und (R2 ist groß)
und (R3 ist mittel) } oder { (R1 ist mittel)
und (R2 ist klein) und (R3 ist groß) } oder { (R1 ist
groß)
und (R2 ist mittel) und (R3 ist
klein) }". Die Stärken der
zwei Richtungs-Feststellungen
können
verglichen werden, um zu bestimmen, in welche Richtung die Welle 12 sich
dreht. Falls beide Richtungs-Feststellungen schwach sind, wird sodann
entweder bestimmt, daß die
Drehzahl Null ist, oder es wird angenommen, daß die Richtung gegenüber der
letzten bekannten Richtung unverändert
ist. Ein Beispiel einer möglichen
Implementierung wird nachfolgend erläutert (vgl. 6): D1 =
A1·B2·C3· +
B1·C2·A3 + C1·A2·B3, und D2 =
A1·C2·B3· +
B1·A2·C3 + C1·B2·A3,wobei jedes Ai,
Bi, Ci und Di zwischen 0 und 1 liegt und 1 sehr stark
und 0 sehr schwach ist. Die Rotationsrichtung wird durch die Differenz
D1-D2 bestimmt. Die
Größe der Differenz
D1-D2 legt das Vertrauen
in die Rotationsrichtung fest. 6 zeigt
eine mögliche Abbildung
von Ri auf Ai, Bi und Ci für einen 24-Zahn-Rotor 14 mit
einem Abstandsmuster von 12, 15, 18 Grad. Wie in 6 dargestellt, ist die Summe von Ai, Bi, Ci bei
jedem Verhältnis
R Eins. Mit der vorstehend beschriebenen Verwendung eines Fuzzylogik-Verfahrens
wird somit ein Vertrauensgrad für
die Rotationsrichtung ermittelt.
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Zu
einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung gehört eine
Fehlerermittlung, mittels derer bestimmt wird, ob der Sensor 50 umgekehrt verdrahtet
ist. In einem derartigen Fall ist die Polarität der Spannung des Sensors 50,
wie in 3 dargestellt,
umgekehrt. Die positiven Spitzen werden zu negative Spitzen und
umgekehrt. Dadurch entsprechen die fallenden Übergänge in 4 den Lückenmitten anstatt den Zahnmitten.
Dieser Zustand kann ermittelt werden unter Ausnutzung der Tatsache,
daß die
großen
und kleinen Lückenmittenweiten
andere Größen haben
als die großen
bzw. kleinen Zahnmittenweiten. In dem vorstehend beschriebenen Beispiel
sind die Zahnmitten durch 12, 15 und 18 Grad und die Lückenmitten
durch 13,5, 15 und 16,5 Grad getrennt. Dieser Zustand könnte auch
durch Vergleich der abgeleiteten Richtung mit einer ansonsten für richtig
bzw. gültig
angesehenen Richtung (abgeleitet durch den Computer oder das Antriebsstrang- Steuerungsmodul (PCM)
unter Verwendung anderer Eingangssignale, oder von einem externen Prüfsystem
an einer Montagelinie) ermittelt werden. Der Computer 55 kann
dann das Signal vom Sensor 50 zurückweisen und ein Fehlersignal
an den Fahrer abgeben oder die Signalabgabe vom Sensor 50 permanent
auf den richtigen wert umschalten, oder von der Verwendung der fallenden Übergänge in 4 auf ein Verwenden der
ansteigenden Übergänge in 4 umschalten, sobald feststellt
wird, daß der Sensor 50 nicht
richtig verdrahtet ist.