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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung einer Welle eines Motors repräsentieren nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der
DE 199 33 844 A1 ist bereits eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung einer Welle eines Verbrennungsmotors repräsentieren, bekannt, bei dem eine Drehrichtung der Welle erkannt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen haben den Vorteil, dass eine für eine weitere Verarbeitung der Informationen besonders vorteilhafte Speicherung der Zeitpunkte erfolgt. Durch diese Art der Speicherung kann eine besonders einfache Logik sowohl für das Ablegen der Informationen wie auch für die nachfolgenden Berechnungen verwendet werden. Darüber hinaus lassen sich insbesondere periodische Ereignisse genauer vorhersagen, wenn die Ereignisse, die eine Periode vorher stattgefunden haben, bei der neuen Berechnung berücksichtigt werden. Es wird so eine besonders einfache Vorrichtung bzw. ein besonders einfaches Verfahren zur Verarbeitung der Signale, die die Winkelstellung der Welle repräsentieren, geschaffen.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Durch das Abspeichern in einer bestimmten Reihenfolge werden die Berechnungen, die üblicherweise einen aktuellen, zuletzt gespeicherten Zeitpunkt und vorhergehende Zeitpunkte verwenden, besonders einfach ausgestaltet. Diese Berechnungen werden insbesondere dadurch vereinfacht, dass ein Adresszeiger vorgesehen ist, der auf die entsprechenden Speicherplätze verweist. Die entsprechenden Reihenfolgen werden durch Erhöhen oder Verringern des Adresszeigers erzeugt. Weiterhin kann eine digitale PLL-Schaltung (DPLL) vorgesehen sein, die Positionsimpulse für Winkelstellungen zwischen den Signalen, die eine Winkelstellung der Welle repräsentieren, erzeugen. Diese können dann in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle durch Ausgleichsimpulse korrigiert werden. Entsprechend wird dann bei einem Wechsel der Drehrichtung auch die Zählrichtung eines Positionszählers gewechselt. Die Korrekturmittel können zum Zweck der Korrektur des Positionszählers entweder Impulse hinzufügen oder Auslassen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Welle eines Motors und eine Sensorvorrichtung zur Erzeugung von Signalen, die eine Winkelstellung dieser Welle repräsentieren,
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2 Signale des Sensors der 1,
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3 und 4 weiterverarbeitete Signale, die von den Signalen der 2 abgeleitet sind,
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5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 einen weiteren Adresspointer,
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7 eine Sensorvorrichtung zur Erzeugung eines Positionssignals bei einem Elektromotor, und
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8 einen Elektromotor mit 8 Polpaaren.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der
1 wird eine Welle
100 eines Motors, beispielsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gezeigt. Mit der Welle starr verbunden ist ein Geberrad
101, welches auf seinem äußeren Umfang eine Zahnstruktur
102 aufweist. Bei einem derartigen Geberrad
101 kann es sich beispielsweise um ein metallisches Geberrad handeln und die äußeren Zahnstrukturen
102 sind durch entsprechende Ausfräsungen in den äußeren Umfang des metallischen Geberrades
101 eingebracht. Die Zahnstrukturen
102 sind dabei beispielsweise so eingebracht, dass sie in konstanten Winkelabständen angeordnet sind, beispielsweise 6°. Der volle Umfang des Geberrades
101 würde dann 60 Zahnstrukturen
102 aufweisen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in der
1 nur einige wenige dargestellt sind, die zudem jeweils einen größeren Winkelbereich abdecken als 6°. Zur Kennzeichnung einer besonderen Position der Welle
100 sind zwei Zahnstrukturen
102 an einer definierten Winkelstelle entfernt, so dass eine Zahnlücke
103 entsteht. Diese Zahnlücke
103 dient dazu, eine bestimmte Position der Welle
100 eindeutig zu kennzeichnen. Diese Anordnung der Geberscheibe auf einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise bereits aus der
DE 199 33 844 A1 bekannt. Die Zahnstrukturen
102 streichen an einem Sensor
104 vorbei, wobei der Sensor
104 einen hohen Signalpegel d. h. ein High-Signal ausgibt, wenn sich eine Zahnstruktur
102 unmittelbar vor dem Sensor
104 befindet und einen niedrigen Signalpegel, ein Low-Signal ausgibt, wenn sich unmittelbar vor dem Sensor
104 die Lücke zwischen zwei Zahnstrukturen
102 befindet. Das Ausgangssignal des Sensors
104 wird beispielhaft in der
2 dargestellt.
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In der 2 wird das Ausgangssignal S des Sensors 104 gegen die Zeit t aufgetragen. Wie zu erkennen ist, springt das Signal S des Sensors 104 zum Zeitpunkt t1 von einem Lowpegel auf einen Highpegel und behält dieses Highpegel bei, solange die Zahnstruktur 102 an dem Sensor 104 vorbeibewegt wird. Wenn sich dann die Zahnstruktur 102 an dem Sensor 104 vorbeibewegt hat, fällt der Signalpegel S wieder auf den Wert 0. Zum Zeitpunkt t2 springt dann der Signalpegel wieder auf den Wert high, da dann die nachfolgende Zahnstruktur 102 vor dem Sensor 104 auftaucht. Entsprechend wird in der 2 jeweils zum Zeitpunkt t1, t2, t3, t4, t5 und t6 ein Springen des Signalpegels S gezeigt. Die Signale, die zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4, t5 gezeigt werden, gehören zu einer normalen Drehung der Welle in eine Richtung. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 erfolgt eine Umkehrung der Drehrichtung der Welle. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen werden weiter unten diskutiert.
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Für die weitere Verarbeitung der Signale des Sensors
104 werden nicht die Signale nach der
2, sondern nur die positiven Schaltflanken d. h. von Lowpegel zum Highpegel für eine Weiterverarbeitung berücksichtigt. In der
3 wird die als Reaktion zu diesen positiven Schaltflanken vom Signallevel S = low zu Signallevel S = high gezeigt. Durch eine Vorverarbeitung der Sensorsignale entweder direkt im Sensor
104 oder in einer nachgelagerten Verarbeitungseinheit werden die unmittelbaren Sensorsignale der
2 in die Signale, die in der
3 gezeigt werden, umgewandelt. Für jede positive Schaltflanke wird ein Rechtecksignal mit einer definierten Breite erzeugt. Bei einer Drehung der Welle
100 in einer ersten Richtung, wie dies zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 und t5 der Fall ist, wird ein Rechtecksignal mit einer definierten Breite von beispielsweise 45 μs erzeugt. Wenn eine Drehung der Welle
100 in einer entgegengesetzten Richtung zur ersten Richtung festgestellt wird, wird ein Signal einer anderen Breite erzeugt, wie dies zum Zeitpunkt t6 in der
3 gezeigt wird. Das Signal zum Zeitpunkt t6 ist in seiner Breite klar unterscheidbar. Beispielsweise kann das Signal, welches dem Zeitraum t6 zugeordnet ist, eine Breite von 90 μs aufweisen. In der Darstellung in der
3 wird die Breite dieser Signale übertrieben breit dargestellt. Es kommt daher bei einem Vergleich der
3 und
4 zu einer Überlappung der Signale d. h. in der
4 werden bereits weitere Signale erzeugt die auf einer Auswertung der Breite der Signale der
3 beruhen. Dies ist aber kein realer Effekt sondern nur durch die übertriebe Breite der Darstellung in der
3 bedingt. Durch diese unterschiedliche Breite lässt sich für die Weiterverarbeitung der Signale des Sensors
104 zusätzlich die Drehrichtungsinformation verwenden. Wie aufgrund der Sensorsignale
104 festgestellt werden kann, in welche Richtung sich die Welle
100 bewegt, ist beispielsweise der
DE 199 33 844 A1 entnehmbar. Es sind aber auch andere Sensoren oder Mehrfachanordnungen von versetzten Sensoren bekannt, mit denen ebenfalls die Drehrichtung der Welle
100 erkannt werden kann.
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Die weitere Verarbeitung der Signale aus der 3 wird nun anhand der 4 und der 5 erläutert. In der 5 wird noch einmal der Sensor 104 gezeigt, der die Signale, wie sie zur 3 beschrieben wurden, an die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 weitergibt. Bei der Signalverarbeitung 200 handelt es sich um eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen, die eine Winkelstellung der Welle eines Motors repräsentieren. Diese Signalverarbeitungsvorrichtung 200 weist intern ein Speicherungsmittel 202 und eine DPLL (digital Phase Locked Loop) 203 auf. Die interne Verschaltung innerhalb der Auswertemittel 200 wird hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es wird aber sichergestellt dass jeder der nachfolgend beschriebenen Teile der Signalverarbeitungsvorrichtung 200 mit allen für seine Funktion notwendigen Information versorgt wird. Die einzelnen Teile können sowohl als fest verdrahtete Schaltlogik ausgebildet sein oder auch zumindest teilweise durch eine universelle Schaltung die ein Programm ausführt ausgebildet sein.
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Weiterhin weisen die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 noch einen Zeitgeber 201 und einen Adresspointer 205 auf. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 sind über entsprechende Leitungen mit einem Positionszähler 204 und einem Speicher 206 verbunden. Der Speicher 206 weist mehrere Speicherplätze auf, von denen beispielhaft zwei Speicherplätze 2061 und 2062 dargestellt sind. Der Positionszähler 204 und der Speicher 206 können natürlich auch Bestandteil der Signalverarbeitungsvorrichtung 200 sein. Ebenso könnte der Zeitgeber 201 und der Adresspointer 205 auch als externe Komponenten realisiert sein.
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Die Vorrichtung, wie sie in der 5 gezeigt wird, arbeitet wie folgt: Immer wenn ein Signal eingeht, wie dies in der 3 zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 und t5 gezeigt wird, liest das Speicherungsmittel den Zeitpunkt, zu dem das Signal einging, von dem Zeitgeber 201 ein und speichert diesen Zeitpunkt in dem Speicher 206. Die Speicherung in dem Speicher 206 erfolgt in einer vorgegebenen Reihenfolge, d. h. beispielsweise die Speicherung des Zeitpunktes des Eingangs des Signals zum Zeitpunkt t1 erfolgt im Speicherplatz 2061, wodurch dann klar ist, dass die Speicherung des Zeitpunktes, zu dem das Signal zum Zeitpunkt t2 eingeht, dann im Speicherplatz 2062 erfolgt. Aufgrund dieser festen Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 ist für weitergehende Berechnungen eindeutig festgelegt, wo der aktuelle Zeitpunkt, d. h. der zuletzt eingegangene Zeitpunkt gespeichert ist und wo der vorhergehende Zeitpunkt abgespeichert ist. Durch die festgelegte Reihenfolge der Speicherung der aufeinanderfolgenden Zeitpunkte ist für nachfolgende Berechnungen klar festgelegt, wo denn die relevante Zeitinformation zu finden ist. Zu diesem Zweck ist der Adresspointer 205 vorgesehen, der auf einen definierten Platz im Speicher 206 zeigt. Beispielsweise kann der Adresspointer 205 die Information enthalten, auf welchem Speicherplatz zuletzt ein Einspeichern von Informationen erfolgte. Alternativ kann der Adresspointer natürlich auch auf den in der Reihenfolge als nächsten zu verwendenden Speicherplatz zeigen. Im Prinzip ist es nicht wichtig, auf welchen Speicherplatz der Adresspointer zeigt, aber es muss aufgrund der Information im Adresspointer 205 klar ermittelbar sein, wie die relative Position des nächsten Speichervorgangs ist und wo sich die Zeitinformation vorhergehender Speichervorgänge findet.
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Die in der 3 gezeigten unterschiedlichen Impulsweiten der Signale S in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle 100 wird im Auswertemittel 200 ausgewertet und dazu benutzt, die Speicherung in dem Speicher 206 zu beeinflussen. Wenn sich die Welle 100 in einer ersten Richtung dreht, so erfolgt die Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 in einer ersten Reihenfolge. Wenn sich die Welle 100 in die entgegengesetzte Richtung dreht, so erfolgt die Speicherung in dem Speicher 206 in der entgegengesetzten Reihenfolge. Beispielsweise bei einer Drehung der Welle 100 im Uhrzeigersinn erfolgt die Speicherung von oben nach unten, und bei einer Drehung der Welle 100 gegen den Uhrzeigersinn erfolgt die Speicherung von unten nach oben. Diese unterschiedliche Reihenfolge der Speicherung in dem Speicher 206 wird durch eine entsprechende Beeinflussung des Adresspointers 205 bewirkt. Wenn der Adresspointer 205 jeweils auf den nächsten freien Speicherplatz verweist, so wird der Adresspointer 205 bei der Drehung in der ersten Richtung bei jedem der Signale der 3 erhöht und wenn die Drehung in die entgegengesetzte Richtung geht, wird der Adresspointer bei jedem Signal erniedrigt.
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In der 3 wird beispielsweise ein Drehrichtungswechsel anhand der Signale zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 dargestellt. Ab dem Zeitpunkt t6, an dem erkannt wurde, dass der Motor nun rückwärts läuft, wird der Adresspointer nun nicht mehr erhöht, sondern erniedrigt. Die Abspeicherung der darauffolgenden Zeitpunkte erfolgt daher in dem Speicher 206 nicht mehr von oben nach unten, sondern von unten nach oben. Entsprechen diese Reihenfolge, muss bei den weiteren Berechnungen dann berücksichtigt werden, dass die weiteren Werte in dieser Reihenfolge dann im Speicher 206 abgelegt sind.
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Die in dem Speicher 206 abgespeicherten Zeitpunkte sind beispielsweise für den Betrieb der DPLL (digital Phase Locked Loop) 203 von Bedeutung. Die DPLL 203 hat die Funktion, aus den einzelnen Impulsen der 3 eine Vielzahl von Subimpulsen zu erzeugen die im folgenden als Positionsimpulse bezeichnet werden. Dies sieht man einfach durch einen Vergleich der 3 und 4, beispielsweise zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. In der 3 sind die Zeitpunkte t1 und t2 durch jeweils einen kurzen Rechteckimpuls gekennzeichnet. In der 4 werden zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 eine Vielzahl von Positionsimpulsen 150 gezeigt, die von der DPLL 203 ausgegeben werden und in dem Positionszähler 204 gezählt werden. Der Positionszähler 204 hält somit immer eine genaue Position der Welle 100 mit einer sehr viel größeren Auflösung als dies durch die Teilung der Zahnstruktur 102 möglich wäre. Dem Positionszähler 204 ist daher jederzeit die Winkelposition der Welle 100 in großer Auflösung, d. h. mit großer Genauigkeit entnehmbar. Die PLL 203 ist so ausgebildet, dass er zwischen zwei Impulsen des Sensors 104 immer eine gleiche Anzahl von Positionsimpulsen 150, wie sie in der 4 dargestellt werden, ausgibt. Dazu berechnet die DPLL aufgrund der im Speicher 206 gespeicherten Informationen über vorhergehende Zeiten zwischen zwei Impulsen des Sensors 104 eine Vorhersagezeit, wann mit dem nächsten Impuls des Sensors 104 zu rechnen ist. Die DPLL gibt dann die Positionsimpulse 150 mit einer Frequenz aus, die so bemessen ist, dass gerade die vorgesehene Anzahl an Positionsimpulsen 150 ausgegeben wird, bis das nächste Signal des Sensors 104 eintrifft. Wenn diese Vorhersage nicht eintrifft, entweder weil sich die Welle 100 entgegen der Vorhersage deutlich schneller gedreht wurde oder entgegen der Vorhersage deutlich langsamer gedreht wurde, so müssen entsprechende Korrekturmittel der DPLL korrigierend eingreifen. Dies wird in den 3 und 4 anhand der Signale zu den Zeitpunkten t2 und t3 erläutert. Wie sich aus der 3 erkennen lässt, ist die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 deutlich länger als zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Für die Vorhersage ist die DPLL 203 aber davon ausgegangen, dass sich die Drehzahl der Welle 100 nicht verlangsamt und hat so, wie in der 4 gezeigt wird, in dem Intervall t2, t3 die Positionsimpulse 150 mit der gleichen Frequenz ausgegeben wie in dem Intervall t1, t2. Nachdem dann die vorgesehene Anzahl von Positionsimpulsen 150 ausgegeben wurde, wird von der DPLL 203 die Ausgabe von weiteren Positionsimpulsen 150 unterdrückt, da ja sonst der Positionszähler 204 einen zu großen Wert annehmen würde. Es folgt somit nach der Ausgabe der entsprechenden Anzahl von Positionsimpulsen 150 ein kurzes Intervall, in dem keine Positionsimpulse ausgegeben werde, wobei dieses Intervall kurz vor dem Zeitpunkt t3 ist. Ab dem Zeitpunkt t3 erfolgt dann wieder eine Ausgabe von Positionsimpulsen. Wenn nun in dem Intervall t2, t3 eine unvorhergesehene Beschleunigung der Drehung der Welle 100 erfolgt wäre, so wäre es mit der gezeigten Frequenz nicht möglich gewesen, bis zum Zeitpunkt t3 die vorgesehene Anzahl von Positionsimpulsen 150 auszugeben. In diesem Fall hätten die Korrekturmittel der DPLL unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 zusätzliche Positionsimpulse 150 ausgeben müssen, um einen entsprechenden Stand des Positionszählers 204 zu bewirken. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, dass der Positionszähler 204 immer eine genaue Information der Winkelstellung der Welle 100 enthält.
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Bei einer Änderung der Drehrichtung der Welle 100 muss der Positionszähler 204 auch entsprechend seine Zählrichtung ändern. Wenn der Positionszähler 204 in der ersten Drehrichtung hochgezählt wird, so muss er bei einer Drehung der Welle in einer zweiten Richtung, die entgegen der ersten Richtung ist, entsprechend heruntergezählt werden. Die Drehrichtung kann dem Positionszähler 204 entweder durch die PLL 203 oder durch andere Mittel der Signalverarbeitungsvorrichtung 200 mitgeteilt werden. Auf jeden Fall erhält der Positionszähler 204 die Information ob die von der PLL gelieferten Positionsimpulse 150 hinzuaddiert oder subtrahiert werden sollen. Die Änderung der Drehrichtung wird nun anhand der 3 und 4, insbesondere zum Zeitpunkt t6 erläutert. Typischerweise tritt bei einer Brennkraftmaschine bei einer Drehrichtungsumkehr auch eine deutliche Verlängerung der Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen des Sensors 104 auf. In der 3 wird dies durch den längeren Zeitabstand zwischen t5 und t6 dargestellt. Entsprechend wird in der 4 ungefähr in der Mitte des Intervalls zwischen t5 und t6 die Ausgabe von Positionsimpulsen 150 beendet, da die vorgegebene Anzahl von Positionsimpulsen 150 in etwa in der Mitte dieses Intervalls erreicht wurde. Zum Zeitpunkt t6 steht dann nach der Beendigung des Impulses in 3 fest, dass es sich um eine Drehrichtungsumkehr handelt. Ab diesem Zeitpunkt werden die von der PLL 203 ausgegebenen Positionsimpulse 150 nicht mehr zu dem Positionszähler hinzuaddiert, sondern abgezogen. Unmittelbar nach der Beendigung des Impulses vom Zeitpunkt t6 in 3 werden zunächst von der DPLL 203 eine rasche Folge von Positionsimpulsen 150 ausgegeben, die den Stand des Positionszählers 204 entsprechend verringern. Es handelt sich dabei somit um Ausgleichsimpulse die den Stand des Positionszählers 204 entsprechend korrigieren. Diese Impulse entsprechen von ihrer Anzahl her den Positionsimpulsen 150, die in dem Intervall t5, t6 fehlerhaft zum Positionszähler 204 hinzuaddiert wurden. Diese werden in der 4 als schwarzer Block unmittelbar nach dem Zeitpunkt t6 dargestellt, da sie so eng aufeinanderfolgen, dass sie in der 4 nicht als Einzelimpulse darstellbar sind. Es wird somit als erste Maßnahme der Positionszähler korrigiert, indem eine entsprechende Anzahl von Positionsimpulsen 150 abgezogen wird. Erst danach gibt die PLL 203 normale Zählimpulse aus, die sich in ihrer Frequenz daran orientieren, wann denn bei der Rückwärtsdrehung mit dem nächsten Impuls des Sensors 104 zu rechnen ist. Bei den unmittelbar auf den Zeitpunkt t6 folgenden Impulsen mit deutlich erhöhter Frequenz handelt es sich somit um Ausgleichsimpulse, um den Stand des Positionszählers 204 zu korrigieren.
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In der 6 wird die Verwendung eines weiteren Adresspointer 30 in der Signalverarbeitungsschaltung 200 und die Bedeutung dieses weiteren Adresspointer 30 für die DPPL 203 beschrieben. Der weitere Adresspointer 30 zeigt auf Speicherplätze 301, 302, 303, 304 eines weiteren Speichers 300 und holt bei jedem Eintreffen eines Signals des Sensors 104, d. h. zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4, t5, t6 der 3 die in dem Speicher 300 und stellt diese Information dem DPLL 203 zur Verfügung. Es sind so viele Speicherplätze 301, 302, 303 vorgesehen wie Zahnstrukturen 102 auf den Geberrad 101 vorgesehen sind oder auch wie viel Lücken zwischen den Zähnen vorgesehen sind. Für das Beispiel wie es zur 1 beschrieben wurde sind dies 60–2 d. h. 58 Speicherplätze. Die Lücken können unterschiedliche Längen haben, je nachdem ob fehlende Zähne zu berücksichtigen sind oder nicht. Wie in der 6 dargestellt wird enthalten die Speicherplätze 301, 302, 303, die den normalen Lücken zwischen den Zahnstrukturen 102 zugeordnet sind, jeweils die Zahl 1 und der Speicherplatz 304, der der Zahnlücke 103 mit zwei fehlenden Zähnen zugeordnet ist, die Zahl 3.
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Diese Zahlen entsprechen der Menge an Positionsimpulsen die die DPLL 203 ausgeben soll. Wenn für eine normale Zahnstruktur 102 beispielsweise 100 Positionsimpulse 150 bis zum Eintreffen des nächsten Impuls des Sensors 104 vom DPLL 203 ausgegeben werden sollen, so muss bei der Zahnlücke 103 (bei der ja 2 Zahnstrukturen 102 fehlen) die dreifache Anzahl d. h. 300 Positionsimpulse 150 ausgegeben werden. Durch eine Synchronisation des Adresspointer 30 bei einem Start der Brennkraftmaschine wird der Adresspointer so eingestellt dass er jeweils auf den Speicherplatz weist der die Anzahl an Positionsimpulsen 150 für die nächste Zahnstruktur 102 oder Zahnlücke 103 anzeigt. Es wird so sichergestellt dass von dem DPLL 302 immer eine angemessene Zahl an Positionsimpulsen 150 ausgegeben wird.
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Bei einem Wechsel der Drehrichtung der Welle 100 muss der weitere Adresspointer 30 entsprechend umgestellt werden. Wenn man davon ausgeht, dass die in dem Speicher 300 gespeicherte Information immer vor dem Eintreffen des Impulses des Sensors 104 ausgelesen und der DPPL 203 zur Verfügung gestellt wird und unmittelbar nach diesem Auslesen der weitere Adresspointer 30 verstellt wird, so muss bei einem Wechsel der Drehrichtung der weitere Adresspointer um 4 Speicherplätze entgegen der bisherigen Verstellrichtung verändert werden. Wenn der weitere Adresspointer 30 bei der Drehung der Welle in einer ersten Richtung nach jedem Auslesen erhöht wird, so muss bei einem Wechsel der Drehrichtung der weitere Adresspointer um 4 vermindert werden und dann solange die Welle in der entgegengerichteten Drehrichtung dreht wird der weitere Adresspointer bei jedem Lesevorgang vermindert. Die Zahl 4 steht nur als Beispiel. Dieser Wert 4 muss beispielsweise immer dann subtrahiert bzw. addiert werden, wenn bei einem Richtungswechsel bei einem Signalswechsel des Sensors 104 zunächst noch keine Information über den Richtungswechsel vorliegt und die Adresspointer wie beim letzten Sensorsignalzeitpunkt tx inkrementiert werden bzw. dekrementiert werden, wenn weiterhin die Werte in den Speicher 206 bezüglich dem gemessenen zeitlichen Abstand von zwei Zähnen immer nach dem entsprechenden Intervall abgespeichert werden und die Information über die Dauer eines Intervalls aus dem Profil-Speicher 300 immer vor dem betreffenden Intervall geholt werden. Unter anderen Randbedingungen sind auch andere Korrekturwerte möglich.
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Statt eines weiteren Adresspointer 30 kann auch ein anderes Bauteil verwendet werden, welches den Zugriff auf den Speicher 300 relativ zum Adresspointer 205 der 5 vornimmt. Dieses Bauteil würde dann für einen Zugriff auf den Speicher 300 den Inhalt des Adresspointer 205 einlesen und mit einem Offset addieren oder subtrahieren. Beispielsweise bei einer Drehung der Welle in einer ersten Richtung könnte zu dem Inhalt des Adresspointer 205 der Wert 2 hinzuaddiert werden und der entsprechende Speicherplatz aus dem Speicher 300 ausgelesen werden. Wenn es dann zu einem Wechsel der Drehrichtung kommt, so würde wiederum einfach der Inhalt des Adresspointer 205 ausgelesen und von diesem Wert zwei Speicherplätze abgezogen werden. Ebenso könnte in Vorwärtsrichtung der Wert 17 zum Adresspointer 205 addiert werden und in Rückwärtsrichtung der Wert 13 addiert werden. Der Unterschied 4 zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf beim Adresspointer 30 ist nur dann richtig, wenn beide Adresspointer bei sofort mit dem Beginn eines Impulses von 3 wie vorher inkrementieren oder dekrementieren, wenn noch nicht die Richtungsinformation des Impulses ausgewertet wurde, der Adresspointer 205 immer auf das letzte Inkrement zeigt (Zeitstempel oder berechnete Zeitdauer zwischen den letzten beiden Zähnen) und der Adresspointer 30 das zukünftige nächste Inkrement zeigt (erwartete Zeitdauer zwischen dem nächsten und dem übernächsten Zahn). Mit einer anderen Realisierung sind auch andere Unterschiedswerte möglich. Mit diesem Verfahren kann so auch sichergestellt werden, dass aus dem Speicher 300 immer der jeweilige Wert aus dem Speicher 300 ausgelesen wird, der angibt, ob der DPLL 203 nun eine einfache Menge von Positionsimpulsen oder eine dreifache Menge von Positionsimpulsen ausgeben soll.
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Ergänzend angemerkt, dass der Speicherinhalt des Speichers 300 jeweils angepasst an die Zahnlücke 103 ausgewählt werden muss. Bei dem Zahnrad nach der 1 ist dies beispielsweise durch die Zahl 3 bewirkt, da bei einem Fehlen von zwei Zähnen die dreifache Menge an Positionsimpulsen 150 ausgegeben werden muss. Wenn die Zahnlücke kleiner ist, beispielsweise nur ein Zahn fehlt, so müsste beispielsweise nur die doppelte Menge an Positionsimpulsen 150 von dem DPLL ausgegeben werden.
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In der 7 wird schematisch ein Rotor 1300 eines Elektromotors dargestellt. Der Rotor 1300 wird in 7 nicht als runder Rotor sondern in einer abgewickelten Darstellung, d. h. nicht als rundes Gebilde um eine Welle sondern als lineares Gebilde dargestellt. Diese Darstellung des Rotors dient nur zur vereinfachten graphischen Darstellung in der 7. Real ist der Rotor 1300 als kreisförmige Struktur um eine Welle ausgebildet wie dies in der 8 gezeigt wird.
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In der 8 wird noch einmal als Übersicht der Rotor 1300 eines Elektromotors dargestellt. Es handelt sich um einen Elektromotor mit acht Poolpaaren, d. h. acht Nordpolen 1301 und acht Südpolen 1321, die jeweils im Wechsel angeordnet sind. Jedem Poolpaar 1301, 1321 ist eine Zahnstruktur 1304 mit einem Zahn 1305 und einer Zahnlücke 1306 zugeordnet. Diese Figur dient dazu den Gesamtaufbau des Rotors zu zeigen. Die Details der Zuordnung von Sensoren und Zahnlücken sind in der detaillierten Darstellung der 7 erläutert.
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In dem Rotor 1300 sind eingebettet Permanentmagnete 1301, 1321, die durch Anlegen von wechselnden äußeren Magnetfeldern durch entsprechende Spulen im Stator des Elektromotors eine Kraft gegenüber dem Feld der Permanentmagneten 1301, 1321 erzeugt, die den Rotor 1300, beispielsweise in die durch den Pfeil 1303 gezeigte Richtung bewegt. Die entsprechenden Ansteuerspulen sind hier nicht dargestellt. Die Permanentmagnete 1301 bildet einen magnetischen Nordpol und die Permanentmagnete 1321 einen magnetischen Südpol.
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Der Rotor 1300 weist Zahnstrukturen 1304 auf, die jeweils aus einem Zahn 1305 und einer Zahnlücke 1306 bestehen. Im Bereich des Zahns 1305 ist der Rotor 1300 dicker ausgebildet, d. h. er bildet den Zahn 1305 und im Bereich der Zahnlücke 1306 ist der Rotor 1300 dünner ausgebildet und bildet so die Zahnlücke 1306. Für die weitere Diskussion ist es noch von Bedeutung, dass der Zahn 1305 eine Vorderseite 1307 und eine Rückseite 1308 besitzt, wobei die Vorderseite 1307 den Übergang von Zahnlücke 1306 zu Zahn 1305 und die Rückseite in Bewegungsrichtung des Pfeils 1303 den Übergang zwischen Zahn 1305 und Zahnlücke 1306 kennzeichnet. Für die weitere Diskussion wird jetzt die in der 7 links gezeigte Zahnstruktur 1304 als erste Zahnstruktur und die nächste Zahnstruktur in der Mitte der 7 als zweite Zahnstruktur 1304 bezeichnet.
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Der Rotor ist so aufgebaut, dass jedem Paar von Permanentmagneten 1301, 1321 eine Zahnstruktur 1304 zugeordnet ist. Den Zahnstrukturen 1304 gegenüberliegend sind drei Sensoren 1311, 1312, 1313 angeordnet, wobei der Abstand dieser Sensoren voneinander so gewählt ist, dass er jeweils ein Drittel der Periodizität der Zahnstrukturen 1304 entspricht. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dem ersten Sensor 1311 und dem zweiten Sensor 1312 einem Drittel des Abstandes der Vorderseiten 1307 von zwei aufeinanderfolgenden Zahnstrukturen 1304 entspricht. Bei dieser Anordnung von Sensoren 1311, 1312, 1313 und Zahnstrukturen 1304 verhält es sich bei einer Bewegung des Rotors 1300 in Richtung des Pfeils 1303 so, dass eine festgelegte Abfolge von Signalen der drei Sensoren auftritt. Die Sensoren 1311, 1312, 1313 liefern immer dann eine logische Eins, wenn ein Zahn 1305 unmittelbar vor ihnen angeordnet ist und eine logische Null, wenn vor den Sensoren 1311, 1312, 1313 eine Zahnlücke 1306 angeordnet ist. In der Darstellung der 7 ist es beispielsweise so, dass die Sensoren 1311 und 1312 eine logische Eins ausgeben und der Sensor 1313 eine logische Null. Wenn sich nun der Rotor 1300 in Richtung des Pfeils 1303 weiterbewegt, so ändert sich der Signalpegel sobald der Sensor 1312 jenseits der Rückseite 1308 des ersten Zahnes ist. Der Sensor 1311 ist immer noch gegenüber dem Zahn 1305 angeordnet, während die Sensoren 1312 und 1313 beide gegenüber der Zahnlücke 1306 angeordnet sind. Die Sensoren liefern daher das Ausgangssignal 100. Bei einer weiteren Bewegung überschreitet dann der Sensor 1313 die Vorderseite 1307 des zweiten Zahns 1305 und das Signal der Sensoren ändert sich dann zu dem Wert 101. Wenn sich der dann der Rotor 1300 weiterbewegt, so sind beide Sensoren 1311, 1312 über der Zahnlücke 1306 der ersten Zahnstruktur gelegen und der dritte Sensor 1313 ist vor den Zahn 1305 der zweiten Zahnstruktur. Die Sensoren geben somit das Signal 001 aus. Bei der weiteren Bewegung folgen dann die Signale 011 und bei einer abermals weiteren Bewegung das Signal 010. Wenn sich der Rotor 1300 dann noch weiterbewegt, erfolgt wieder die Ausgabe des Signals 110, wobei dann die Sensoren vor der zweiten Zahnstruktur 1304 so angeordnet sind, wie in der 7 bezüglich der ersten Zahnstruktur 1304 gezeigt. Bei der weiteren Bewegung in Richtung des Pfeils 1303 wird immer wieder diese Signalfolge ausgegeben, nämlich 110, 100, 101, 001, 011, 010. Wenn sich der Elektromotor jedoch in die entgegengesetzte Richtung bewegt, so wird diese Signalfolge in umgekehrter Reihenfolge auftreten, wodurch sich eine Bewegung des Elektromotors in die eine Richtung oder die andere Richtung klar unterscheiden lässt.
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Die Weiterverarbeitung der Signale der drei Sensoren 1311, 1312 1313 erfolgt durch die Signalverarbeitungsvorrichtung 200 in ähnlicher Weise wie bereits für die Signale des Sensor 104 beschrieben. Immer wenn ein Signal der Sensoren 1311, 1312 oder 1313 seinen Signalpegel verändert liest das Speicherungsmittel den Zeitpunkt, zu dem das Signal einging, von dem Zeitgeber 201 ein und speichert diesen Zeitpunkt in dem Speicher 206. Die Speicherung in dem Speicher 206 erfolgt in einer vorgegebenen Reihenfolge, d. h. beispielsweise die Speicherung des Zeitpunktes des Eingangs des Signalübergangs von 110 zu 100 erfolgt im Speicherplatz 2061, wodurch dann klar ist, dass die Speicherung des Zeitpunktes, zu dem der Signalübergang von 100 zu 101 eingeht, dann im Speicherplatz 2062 erfolgt. Da die Sensoren 1311, 1312 und 1313 insgesamt nur 6 Zustände aufweisen (die Zustände 000 und 111 treten nicht auf) ist durch einen Speicherung auf nur 6 Speicherplätzen eine vollständige Weiterbewegung des Rotors 1300 um ein Polpaar 1301, 1321 abgespeichert. Um aber auch noch andere Einflusse auf die Drehzahl zu untersuchen kann es auch sinnvoll sein eine größere Zahl von Speicherplätzen vor zu sehen. Die gespeicherten Zeiten werden, wie bereits zur 5 beschrieben, durch einen entsprechenden Adresspointer 205 verwaltet. Durch die festgelegte Signalfolge der drei Sensoren 1311, 1312 und 1313 kann zu jedem Signalwechsel die Drehrichtung des Elektromotors ermittelt werden. Diese Information kann dazu genutzt werden um entsprechend den Adresspointer 205 in die eine oder andere Richtung zu zählen. Anhand der gespeicherten Zeitpunkte werden in dem DPLL 203 eine Vielzahl von Positionsimpulsen 150 erzeugt die dann jeweils die Position des Elektromotors angeben. Dabei ist es aber im Unterschied zu einem Verbrennungsmotor nicht erforderlich eine komplette Bewegung des Rotors 1300 abzubilden sondern es ist, für den Zweck der Ansteuerung des Elektromotors nur notwenig die Position eines Polpaares zu kennen, da bei einer Verdrehung des Rotors um ein Polpaar wieder die gleiche Ausgangsstellung vorliegt. Das trifft aber nur dann zu, wenn alle Polpaare exakt gleich zueinander positioniert sind und auch exakt gleich relativ zu den Zahnstrukturen 1304 positioniert sind. Wenn es konstruktive Unterschiede der Pole gibt, kann es sinnvoll sein, auch Messwerte für eine gesamte mechanische Umdrehung des Motors zu speichern, weil man dann ggf. auf die Messwerte von einer Umdrehung vorher zurückgreifen kann. Die möglichen Abweichungen werden nachfolgend detailliert in einem Beispiel beschrieben.
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Gegebenenfalls kann auch für den Elektromotor ein weiterer Adresspointer 30 und entsprechende Speicherplätze 301, 302, 303, 304 vorgesehen sein. Im Unterschied zur Auswertung von Kurbelwellensignalen sind in diesen Speicherplätzen aber keine Information bezüglich der zu erwartenden Zähne sondern Information bezüglich Fertigungstoleranzen des Geberrades des Elektromotors oder der Anordnung der drei Sensoren 1311, 1312, 1313 gespeichert. Diese Informationen beinhalten Informationen wie viele Positionsimpulse 150 bis zum Eintreffen des nächsten Signalübergangs zu erwarten sind. Fertigungstoleranzen können sich auf die periodisch nacheinander abfolgende Signalfolge der 6 möglichen Zustände der Sensoren richten, beispielsweise könnte sich aufgrund von Fertigungsschwankungen bei kontinuierlicher Drehzahl die Zeitdauer vom Übergang 110 zu 100 zum Übergang von 011 zu 010 unterscheiden. Diese Abweichungen wiederholen sich dann alle 6 Signalwechsel und können durch entsprechende Korrekturwerte auf den 6 Speicherplätzen 301, 302 ... 306 korrigiert werden. Weitere Korrekturwerte können die Fertigungstoleranzen des gesamten Rotors betreffen, beispielsweise Abweichungen an den Zahnstrukturen 1304 die nur eine Stelle an dem ganzen Rotor 1300 betreffen. Für diese Abweichungen müssen dann natürlich Speicherplätze für den ganzen Rotor 1300 vorgesehen sein und es muss eine Synchronisation des weiteren Adresspointer 30 mit dem Rotor 1300 erfolgen. Dies kann alternativ entweder durch einen weiteren Sensor, oder durch Kennzeichnung einer Stelle des Rotors 1300 in ähnlicher Weise wie in der 1 oder durch einen Lernvorgang erfolgen. Solch ein Lernvorgang wertet insbesondere Betriebsphasen des Elektromotors mit einem relativen Gleichlauf des Motors aus beispielsweise eine Betriebsphase in der ein mit dem Elektromotor betriebenes Fahrzeug ausrollt. In derartigen Phasen kann gelernt werden welche Unterschiede es bezüglich des Eintreffens der Signalübergänge gibt und es können entsprechende Korrekturinformationen in den Speicherplätzen 301, 302, 303 usw. gespeichert werden. Diese Informationen werden dann von DPLL genutzt um unterschiedliche Anzahlen von Positionsimpulsen 150 auszugeben, je nach dem wann mit dem Eintreffen des nächsten Signalswechsels zu rechnen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19933844 A1 [0001, 0012, 0014]
