DE19732960C2 - Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales, das gegebenenfalls mit einem Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil behaftet ist, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß durch Auswertung von periodisch schwankenden Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignalen verschiedene Meßgrößen ermittelbar sind. So werden beispielsweise Drehzahl- bzw. Winkelmessungen mit Hilfe von Induktivsensoren durchgeführt, die einen rotierenden Körper mit charakteristischer Oberfläche abtasten. Da bei solchen Messungen der Sensor fest ist, werden durch den rotierenden Körper im Sensor, beispielsweise einem Induktivsensor mit einer Meßspule periodisch schwankende Spannungen induziert. Aus der Periode dieser Signale läßt sich die Drehzahl bzw. bei geeigneter Ausgestaltung der Oberfläche des rotierenden Körpers seine Winkelstellung ermitteln.

Solche Einrichtungen zur Erzeugung einer drehzahlabhängigen Signalfolge sind beispielsweise in Verbindung mit der Erfassung der Winkellage der Kurbel- oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Es ist dabei üblicherweise ein ferromagnetisches Zahnrad mit der betreffenden Welle verbunden. Dieses wird mit Hilfe eines eine Spule umfassenden Sensors abgetastet. Da die induzierte Spannung zum einen in ihrer Amplitude stark drehzahlabhängig ist und zum anderen gegebenenfalls mit einer Störspannung überlagert sein kann, sind Maßnahmen erforderlich, die eine saubere Trennung des Nutzsignales vom Untergrundsignal gewährleisten.

In der DE-PS 42 05 352 wird eine Einrichtung zum Gewinnen von Impulssignalen beschrieben, die eine Trennung von Nutzsignalen von einer zusätzlichen Gleichspannungskomponente ermöglicht. Diese Trennung wird mit Hilfe einer Offsetkompensation und einer Tiefpaßfilterung durchgeführt. Weiterhin wird das tiefpaßgefilterte Ausgangssignal in einem Komparator mit dem ungefilterten Eingangssignal verglichen und es wird somit am Ausgang des Komparators ein weitgehend störungsfreies Ausgangssignal erhalten. Diese Schaltung läßt sich jedoch noch nicht optimal an verschieden auszuwertende Signale anpassen, sie ist außerdem nicht ohne weiteres an dynamische Signalveränderungen anpaßbar.

Aus der US-PS 4 056 738 ist eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von Signalen, insbesonders optischen Signalen bekannt, bei der die Signale mit Hilfe eines Fensterkomparators mit einem oberen und einem unteren Schwellwert ausgewertet werden. Die beiden Schwellwerte des Fensterkomparators sind dabei in Abhängigkeit vom auszuwertenden Signal verschiebbar, so daß eine Anpassung der Schwellwerte an die Signalhöhe möglich ist. Zur Schwellwertverschiebung wird ausgewertet, wie oft das auszuwertende Signal innerhalb einer vorgebbaren Zeit den oberen Schwellwert überschreitet. Wird der obere Schwellwert häufig überschritten, werden beide Schwellwerte erhöht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignales, das gegebenenfalls mit einem Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil behaftet ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr sichere Signalauswertung möglich ist, unabhängig davon, wie hoch der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil ist. Besonders vorteilhaft ist, daß Änderungen der Höhe des auszuwertenden Signales keine negativen Auswirkungen auf die Signalauswertung haben. Erzielt werden diese Vorteile, indem das auszuwertende Wechselspannungssignal einem Fensterkomparator zugeführt wird, dessen obere und dessen untere Schwelle veränderbar ist und daß beide Schwellen verändert werden, sobald das auszuwertende Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignal eine der beiden Schwellen erreicht. In vorteilhafter Weise werden dabei beide Schwellen gleich stark verschoben. Diese Verschiebung kann erreicht werden durch Erzeugung einer Hilfsspannung, die den Schwellen jeweils überlagert werden kann. Am Ausgang des Fensterkomparators entsteht ein Rechtecksignal mit dem Taktverhältnis TA, aus dem die Drehzahl ermittelbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß sich die Einsatzmöglichkeiten auf beliebige Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignale erstrecken. Auch eine Ausdehnung auf allgemeine impulsförmige Signale ist möglich. In Verbindung mit der Drehzahl- oder Winkelerfassung bei rotierenden Teilen, beispielsweise Wellen in einem Kraftfahrzeug, ist eine sichere Auswertung über einen großen Drehzahlbereich möglich.

Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung in Verbindung mit der Auswertung der Phasenspannung eines Generators läßt sich sowohl die Drehzahl des Generators als auch der Beginn der Drehung sicher bestimmen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung in Verbindung mit einer Drehzahlauswertung. Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Schaltungsmöglichkeiten für die Spannungsnachführung und in Fig. 4 sind simulierte Signalverläufe für verschiedene Bedingungen dargestellt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Sensorsignalauswertung dargestellt. Dabei ist die Eingangsspannung UE der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Ausgangsspannung eines Sensors SE, der eine rotierende Scheibe SCH mit Winkelmarken WM und Zwischenräumen ZR abtastet. Die rotierende Scheibe ist mit einer Welle W verbunden, beispielsweise der Kurbel- oder Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Durch das Vorbeilaufen der Winkelmarken WM und der Zwischenräume ZR am Sensor SE wird in diesem eine Wechselspannung erzeugt, die von der Drehzahl der Scheibe SCH bzw. der Winkel W abhängt. Aus der Periode des Wechselspannungssignals U_E läßt sich die Drehzahl der Welle W bestimmen. Zur einfacheren Auswertung soll die Wechselspannung U_E in eine Rechteckspannung gewandelt werden. Diese Spannungswandlung erfolgt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung. Durch Auswertung der Flanken bzw. Flankenabstände des Rechtecksignales läßt sich neben der Drehzahl auch die Winkelstellung der Welle W ermitteln. Falls eine Bezugsmarke BZM auf der Scheibe SCH vorhanden ist, kann auch diese durch Auswertung des aufbereiteten Sensorsignales in bekannter Weise ermittelt werden.

Da beim Einsatz eines Sensors SE, der nach dem Induktivprinzip arbeitet, auch die Höhe der Sensorausgangsspannung stark von der Drehzahl abhängt und da außerdem unter ungünstigen Umständen ein Gleichspannungspotential vorhanden sein kann, dem die periodische Schwankung überlagert ist, wird die Sensorausgangsspannung als Eingangsspannung U_E der im folgenden beschriebenen Auswerteschaltung PH zugeführt.

Anstelle der Auswertung der von einem Sensor SE gelieferten Wechselspannung U_E kann auch eine beliebige Wechselspannung dem Schaltungsblock PH zur Auswertung zugeführt werden. Beispielsweise kann auch die Phasenspannung eines Drehstromgenerators, die ebenfalls einen Wechselanteil sowie gegebenenfalls einen Gleichanteil aufweist, zur Drehzahlermittlung des Generators ausgewertet werden. Grundsätzlich läßt sich nahezu jedes Wechselsignal in der Schaltungsanordnung PH in ein Rechtecksignal wandeln.

Die Auswertung der Wechselspannung U_E erfolgt in dem Schaltungsblock PH, der als getrennte Schaltung oder als Bestandteil des Sensors SE bzw. eines sonstigen Signal liefernden Bauteils ausgebildet sein kann. Die Zuführung der auszuwertenden Spannung U_E erfolgt über den Eingang EIN.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Schaltungsblock PH besteht aus zwei Vergleichern bzw. Komparatoren V₁ und V₂, die zusammen mit dem Block F_K einen Fensterkomparator bilden. In den Komparatoren V₁ und V₂ wird dabei die Wechselspannung U_E mit einem oberen Schwellwert U_OS bzw. einem unteren Schwellwert U_US verglichen. Ist die Spannung größer als der obere Schwellwert U_OS, löst der Fensterkomparator einen Zählvorgang UP aus, der über den Block SN, in dem eine Spannungsnachführung bewirkt wird, eine Spannungserhöhung durchgeführt wird. Es wird dann sowohl der obere Schwellwert als auch der untere Schwellwert erhöht. Ergibt der Spannungsvergleich im Fensterkomparator, daß die Spannung innerhalb des Fensterbereiches liegt, wird vom Fensterkomparator ein Stopsignal abgegeben, die Spannungsnachführung wird dann unterdrückt. Liegt die Spannung unterhalb einem unteren Schwellwert U_US, gibt der Fensterkomparator ein Down-Zählsignal ab und durch die Spannungsnachführung wird sowohl die obere als auch die untere Schwelle herabgesetzt. Am Taktausgang TA der Spannungsnachführung SN wird ein Rechtecksignal abgegeben, das jeweils bei Initiierung einer Spannungsnachführung seinen Pegel wandelt und letztendlich Informationen über die Drehzahl enthält, die auswertbar sind und beispielsweise dem Steuergerät der Brennkraftmaschine oder dem Spannungsregler zugeführt werden, worauf dieser seine Regelstrategie in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl festlegt. Die genauen Umschaltbedingungen für die Spannungsnachführung werden im Zusammenhang mit Fig. 4 noch erläutert.

In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausgestaltungen der Spannungsnachführung SN dargestellt. Im ersten Beispiel nach Fig. 2 ist ein n-bit Auf-Abwärts-Zähler Z vorhanden, der vom Fensterkomparator mit den Signalen Up, Stop und Down angesteuert wird. Je nach Ansteuerung zählt der Zähler also aufwärts oder abwärts oder bleibt auf einem konstanten Zählwert. Der Zählerstand des Zählers Z wird im Digital- /Analog-Wandler DAC in eine Analogspannung gewandelt, die den oberen und den unteren Schwellwert U_OS und U_US bestimmt. Überschreitet die Spannung die obere Komparatorschwelle, wird die Zählrichtung des Zählers Z auf Up gesetzt und der Zählerstand und somit die Hilfsspannung wird über eine festgelegte Taktrate soweit erhöht, daß sich die Spannung wieder unterhalb der oberen Schwelle befindet. Eine Umschaltung der Zählrichtung auf Down erfolgt erst, wenn die Spannung den unteren Schwellwert unterschreitet, wobei zu beachten ist, daß der untere Schwellwert hochgesetzt wurde. Die Spannungsnachführung kann als Erzeugung einer Hilfsspannung bezeichnet werden, wobei die Hilfsspannung beiden Schwellwerten zur Schwellwertverschiebung überlagert wird.

Die erwähnte Schwellenumschaltung kann anhand der Fig. 4 wie folgt erläutert werden: erreicht die Spannung die obere Schwelle U_OS, wird die obere Schwelle hochgesetzt, da der Fensterkomparator den Zähler Z veranlaßt, aufwärts zu zählen. Gleichzeitig wird über die Spannungsnachführung auch die untere Schwelle hochgesetzt, wobei im Bereich 1 die untere Schwelle weniger stark erhöht wird, da sich die Schaltung an ihrem unteren Anschlag befindet. Nach Abfall der Spannung U_E auf einen Wert, der der unteren Schwelle U_US entspricht, werden die beiden Schwellen wieder zurückgeschaltet auf ihren ursprünglichen Wert. Beim nächsten Erreichen der oberen Schwelle durch die Spannung werden die Schwellen wieder hochgesetzt und nach Erreichen der unteren Schwelle wieder zurückgesetzt.

Beim Hochsetzen der Schwellen wird der Seteingang des Flip- Flops FF, der mit dem Up-Eingang des Zählers Z verbunden ist gesetzt. Beim Zurückschalten erfolgt ein Reset des Flip- Flops FF. Am Ausgang des Flip-Flops FF wird somit ein VCL- Auswertesignal TA erhalten, dessen Impulsabstände, beispielsweise werden jeweils die Rückflanken ausgewertet, genau ein Maß für die Frequenz der Spannung darstellt. Das Auswertesignal TA hat bei jeder Schwellenveränderung einen Pegelwechsel.

In den Bereichen 2, 3 und 4 der Fig. 4 sind Beispiele dargestellt, bei denen die Spannung beim Erreichen des oberen und des unteren Schwellwertes jeweils eine Schwellwertverschiebung auslöst. Im Bereich 2 wird dabei zunächst die obere Schwelle erreicht und nach Erreichen werden beide Schwellen erhöht. Sinkt die Spannung wieder auf die untere Schwelle, werden beide Schwellen auf ihren ursprünglichen Wert erniedrigt und bei Erreichen der erniedrigten Schwelle erhält der Zähler Z ein Down-Signal, wodurch beide Schwellen um denselben Wert erniedrigt werden. Schwellenverschiebungen werden also grundsätzlich ausgelöst, wenn die Phasenspannung eine der Schwellen erreicht.

Bei dem im Bereich 3 dargestellten Signalverlauf erreicht die Phasenspannung zuerst die untere Schwelle. Dadurch wird dem Zähler zunächst ein Down-Signal zugeführt und er zählt abwärts, wodurch die beiden Schwellen zunächst erniedrigt werden. Nach Erreichen der oberen herabgesetzten Schwelle wird wieder auf den ursprünglichen Schwellwert zurückgeschaltet und bei Erreichen dieses Schwellwertes erfolgt eine weitere Schwellenerhöhung, wobei jeweils der obere und der untere Schwellwert in gleichem Maß verändert wird.

In dem mit 4 bezeichneten Bereich befindet sich die Schaltung am oberen Anschlag. Das Wechselspannungssignal sitzt dabei auf einem so hohen Gleichspannungspegel, daß eine Schwellwerterhöhung nicht mehr stattfinden kann, sondern nur noch eine Absenkung bei Erreichen der unteren Schwelle. Eine Auswertung des VCL-Signales TA ist jedoch dennoch noch möglich.

Anhand des VCL-Signales TA wird, wie bereits erläutert, zum einen erkannt, ob sich die Welle dreht oder ob sie steht. Durch Ausmessen des Zeitabstandes gleichartiger Flanken des VCL-Signales läßt sich die Drehzahl bestimmen und nachfolgend weiterverarbeiten.

In Fig. 3 ist eine zweite Möglichkeit der Spannungsnachführung dargestellt, die Erzeugung des Auswertesignales TA ist gleich wie beim Beispiel nach Fig. 2. Bei dieser Lösung wird der Zähler ersetzt durch eine zuschaltbare Stromquelle. Wird vom Fensterkomparator ein Up- Signal gegeben, wird der Kondensator C durch Zuführen eines Stromes I aufgeladen und die untere Schwelle wird erhöht. Die Differenz zwischen unterer und oberer Schwelle wird mit Hilfe einer Spannungsquelle, die eine Spannung U_F liefert, konstant gehalten, das heißt die obere Schwelle wird in gleichem Maß erhöht wie die untere Schwelle. Gibt der Fensterkomparator ein Down-Signal, wird der Kondensator C entsprechend entladen und die Schwellen werden abgesenkt. Solange ein Stopsignal anliegt, bleiben die Schwellen konstant.

Wird die erfindungsgemäße Spannungsauswertung bzw. Stromauswertung allgemein zur Auswertung einer periodischen Spannung eingesetzt, ist eine vorteilhafte Abtrennung des Wechselanteils von einem eventuell vorhandenen Gleichspannungsanteil möglich und die reine Wechselspannung auswertbar.

Die Auswertung der Phasenspannung eines Generators ermöglicht die Bestimmung der Drehzahl des Generators.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromsignales, das gegebenenfalls mit einem Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteil behaftet ist, wobei das Signal einem Fensterkomparator zugeführt wird, dessen oberer und unterer Schwellwert durch Spannungsnachführung veränderbar ist und beide Schwellwerte verändert werden, sofern das auszuwertende Wechselspannungs- bzw. Wechselstromsignal einen der Schwellwerte erreicht und die Spannungsnachführung für die Schwellwerte des Fensterkomparators mit Hilfe einer Spannungsnachführungs­ schaltung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsnachführungsschaltung einen Zähler umfaßt, der vom Fensterkomparator Ansteuersignale Up, Stop, Down erhält, die eine Spannungserhöhung, eine Spannungskonstanthaltung oder eine Spannungsverringerung bewirken und dessen Zählerstand mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers in die Hilfsspannung gewandelt wird, die dem oberen und dem unteren Schwellwert des Fensterkomparators überlagert wird.

2. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromsignales nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsnachführungsschaltung zwei Schaltmittel umfaßt, über die ein Kondensator durch Zuführen eines Stromes aufgeladen oder durch Abführen eines Stromes entladen werden kann oder aber auf konstantem Potential gehalten wird.

3. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromsignales nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungsquelle vorhanden ist, die mit dem Kondensator in Verbindung steht und so ausgelegt ist, daß am Verbindungspunkt zwischen Konstantspannungsquelle und Kondensator die untere Schwellenspannung und auf der entgegengesetzten Seite der Konstantspannungsquelle die obere Spannungsschwelle abgreifbar ist.

4. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromsignales nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flip-Flop vorhanden ist, dessen S-Eingang bei Erzeugung eines Up- Ansteuersignales gesetzt wird, dessen R-Eingang bei Erzeugung eins Down-Signales angesteuert wird und an dessen D-Taktausgang das Ausgangssignal entsteht.

5. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromsignales nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung eines drehzahlbhängigen Signales aus dem Ausgangssignal (VCL) die Drehzahl ermittelt wird.

6. Einrichtung zur Auswertung eines Wechselspannungs- bzw. eines Wechselstromes nach einem der Ansprüch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung eines Signales, das aus der Phasenspannung eines Generators gewonnen wird, aus dem Abstand vorgebbarer, insbesonders gleichartiger Signalflanken des Ausgangssignales (VCL) die Drehzahl des Generators ermittelt wird.