Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Mes ^¬ sung der Winkelgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit eines sich bewegenden Teiles und zur Bewegungsrichtungserkennung desselben mit einem stationär anordbaren oder angeordneten Sensor und einem am sich bewegenden Teil anordbaren oder angeordneten Encoder, der gemeinsam mit dem Sensor ein der Encoderform folgendes Signal erzeugt, wobei der Encoder für die für die Winkelgeschwindigkeits/Geschwindig-keitsmessung erforderliche Frequenzmessung eine ein periodisches Muster wiedergebende Struktur besitzt.

Die Messung einer Drehzahl, die in der Technik an vielen Maschinen und Anlagen benötigt wird, ist physikalisch gleichbedeutend mit der Messung der Winkelgeschwindigkeit. Es ist allgemein bekannt, die Drehzahl von Wellen zu messen, indem auf die Welle am Umfang ein periodisches Muster, genannt „Encoder", aufgebracht wird, beispielsweise ein Zahnrad, welches von einem neben der Welle ortsfest angebrachten Sen- sor abgetastet wird. Der Sensor hat die Fähigkeit, zwischen Zahn und Zahnlücke oder anderen periodischen wechselnden Eigenschaften, wie z.B. magnetischer Feldrichtung oder optischer Transparenz, zu unterscheiden. Der Sensor erzeugt daraufhin ein Ausgangssignal, das die gleiche Periodizität aufweist wie das abgetastete Muster.

Ein solcher Sensor gibt, je nach vorhandener Signalverarbeitung, unterschiedliche Signale aus. Es gibt annähernd sinus ^¬ förmige Signale, die meist direkt vom primären Sensorelement des Sensors erzeugt werden, oder Rechtecksignale, die meist von der nachgeschalteten Signalverarbeitung durch Komparato- ren erzeugt werden.

Wenn zusätzlich eine Richtungserkennung der vom Sensor beobachteten Bewegung erforderlich ist, ist es bekannt, ein separates zusätzliches System aus einem weiteren Encoder und Sensorelement zu verwenden, welches bei gleicher Struktur um ein Viertel der Periodenlänge des Muster verschoben ist. Die Richtungserkennung basiert auf der Phasenverschiebung der Signale zwischen beiden Systemen, die immer betragsmäßig ein Viertel der Periodenlänge beträgt, aber je nach Richtung zwischen vor- und nacheilend wechselt.

Alternativ kann eine richtungssensitive Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen erzeugt werden, indem zwei Sensorelemente mit dem gleichen Encoder zusammenwirken, in der Bewegungsrichtung aber einen Abstand aufweisen, der zu einer geeigneten Phasenverschiebung führt. Dieser Aufbau ist vorteilhaft wegen der Einsparung des zweiten Encoders. Insbe ^¬ sondere bei geringem Abstand der beiden Sensorelemente ist zusätzlich vorteilhaft, dass die Elemente integriert werden können, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse und im Falle von Halbleiterelementen eventuell auch monolithisch integriert .

Die dargestellte Technik wird in gleicher Weise für die Ge ^¬ schwindigkeitsmessung von linearen Bewegungen verwendet, wobei lineare statt ringförmige Encoder Verwendung finden. Die hier verwendete Bezeichnung „Sensor" umfasst das eigent ^¬ liche Sensorelement, das zusammen mit dem Encoder das Signal erzeugt, und die zugehörige Signalverarbeitungs/Auswertungs- einheit .

Eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art, die einen Sensor mit zwei Sensorelementen aufweist, ist bekannt. Eine solche Einrichtung besitzt somit ein zusätzliches System, dass aus einem zweiten Sensorelement und dem dazugehörigen Signalpfad (Verstärker, Filter etc.) besteht. Dieses zusätz ^¬ liche System verursacht entsprechende Kosten. Auch ist die Festlegung auf einen festen Abstand der Sensorelemente nachteilig, weil die Verwendung von Encodern mit unterschiedli ^¬ cher Periodenlänge eingeschränkt wird. Zwar ist es nicht er ^¬ forderlich, dass die Phasenverschiebung ein Viertel der Periodenlänge des Musters beträgt, diese Phasenverschiebung bewirkt aber den höchsten Signalhub hinsichtlich der Unterscheidung der Bewegungsrichtungen. Bei geringeren Werten steigen die Anforderungen an die Messungen der Phasenverschiebung. Für jeden Encoder bzw. jede Anwendung einen passenden Abstand der Sensorelemente bereitzustellen, wirkt je ^¬ doch als Kostentreiber durch geringe Stückzahlen für jedes dieser Systeme. Insbesondere die monolithische Integration von Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Hall-Genera- toren, wird vom Kostenvorteil zum Nachteil bei geringen Stückzahlen, verursacht durch applikationsabhängiges Design des betreffenden Systems.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgebildete und kostengünstige Einrichtung der ein ^¬ gangs wiedergegebenen Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sensor ein einziges Sensorelement zur Frequenzmessung und Bewegungsrichtungser- kennung aufweist und dass das periodische Muster des Enco ^¬ ders asymmetrisch ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß gelangt somit ein Sensor mit einem einzigen Sensorelement zur Anwendung, das sowohl zur Winkelgeschwin- digkeits/Geschwindigkeitsmessung (Frequenzmessung) als auch zur Bewegungsrichtungserkennung verwendet wird. Das periodische Muster des Encoders ist asymmetrisch ausgebildet, so dass auch das Signal des Sensorelementes, d.h. des physika ^¬ lischen Wandlers, asymmetrisch ist. Die Signalperiode be ^¬ steht dann in erster Näherung aus zwei Flanken mit unterschiedlichem Vorzeichen der Steigung und unterschiedlicher Dauer bzw. Steilheit. Je nach Bewegungsrichtung ändert sich das Vorzeichen der Steigung der beiden aufgrund des Betrages der Steigung unterscheidbaren Signalflanken. Die Auswertung dieses Signals kann bei hohem Signal-Rausch-Verhältnis durch Messung von Steigung oder Flankendauer erfolgen. Für eine hohe Störsicherheit wird jedoch eine spektrale Auswertung bevorzugt . Die spektrale Richtungserkennung basiert auf der Beobachtung, dass sich bei Umkehr des zeitlichen Verlaufs einer Funktion (gleichbedeutend mit der Umkehr der Bewegungsrichtung) am Amplitudenspektrum keine Änderung einstellt, sich aber das Phasenspektrum ändert, sofern sich das Bild der umgekehrten Funktion vom Bild der ursprünglichen Funktion unterscheidet. Bei nur zwei Flanken pro Periode ist diese Be ^¬ dingung gleichbedeutend mit unterschiedlicher Flankenstei ^¬ gung bzw. -dauer sowie mit Asymmetrie. Bei geeigneter Aus ^¬ wahl der Funktion, mit der der Encoder das Ausgangssignal des Sensorelementes moduliert, genügt die Auswertung der Phase einer einzigen Harmonischen, bezogen auf die Phase der Grundschwingung, um die Bewegungsrichtungen zu unterscheiden .

Vorzugsweise besitzt daher der Sensor eine Auswerteeinheit zur Durchführung einer spektralen Signalauswertung, wobei die Auswerteeinheit insbesondere zur Auswertung der Phase einer Harmonischen der Signalfrequenz möglichst niedriger Ordnung ausgebildet ist.

Wie erwähnt, sind Sensor und Encoder vorzugsweise so ausge ^¬ bildet, dass ein Signalverlauf mit steilen und flachen Flan ^¬ kenabschnitten erzeugt wird. Hierbei wird eine Ausführungs ^¬ form besonders bevorzugt, bei der ein annähernd sägezahnför- miger Signalverlauf erzeugt wird.

Auf die Schaltungsteile des Sensors der erfindungsgemäß aus ^¬ gebildeten Einrichtung, insbesondere auf die, mit denen die Phase bestimmter Spektralanteile gemessen werden kann, wird hiermit nicht speziell eingegangen. Diese Schaltungsteile können von bekannter Bauart sein. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, dass der Sensor mit Hilfe bekannter Schaltungskonzepte (analog, digi ^¬ tal oder gemischt) folgende Schritte zur Richtungserkennung ausführt und entsprechende Schaltungsteile besitzt:

1. Messung bzw. Isolierung der Frequenz der Grundschwingung aus dem Frequenzgemisch des Eingangssignals.

2. Vervielfachung, vorzugsweise Verdoppelung, der Grundschwingung auf die Frequenz der für die Richtungserkennung ausgewählten Harmonischen, dabei Einhaltung einer festen aber beliebig wählbaren Phasenbeziehung zwischen Grundschwingung und erzeugter Schwingung.

3. Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der in

Schritt (2) erzeugten Schwingung und der ausgewählten Harmonischen .

4. Entscheidung für eine Bewegungsrichtung aufgrund der Phasenverschiebung .

5. Ausgabe der Bewegungsrichtung in einer beliebigen Codierung über eine beliebige Schnittstelle des Sensor ^¬ systems zum Empfänger der gemessenen Information.

Durch diese Verfahrensweise ist die Funktion der Richtungs ^¬ erkennung in die Encoderform hineincodiert. Die Verwendung eines zweiten Sensorelementes mit angeschlossenem Signalpfad wird überflüssig. Weiterhin ist die gemessene Phasenver ^¬ schiebung nicht von der Periodenlänge des Encodermusters ab- hängig und der Signalhub damit für ganz unterschiedliche Pe ^¬ riodenlängen optimal.

Vorzugsweise wird die Gestaltung des Verlaufs des modulie ^¬ renden Effekts des jeweiligen Encoders in Verbindung mit der Kennlinie des gewählten Sensorelementes optimiert. Die Asym ^¬ metrie des Encoders ist erfindungsgemäß insbesondere so aus ^¬ geführt, dass am Ausgang des Sensorelementes eine möglichst deutliche Asymmetrie des Signals erreicht wird. Der genaue Signalverlauf wird dabei von der verwendeten Technologie des Sensorelementes beeinflusst. Bei optischen Sensoren ist ein beinah ideal sägezahnförmiger Verlauf möglich. Bei magnetischen Sensoren ist in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand die Steigung der steileren Flanke begrenzt. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine möglichst große Annäherung an den säge- zahnförmiger Verlauf angestrebt, weil dann die relative Amp ^¬ litude der ersten Harmonischen (bei doppelter Frequenz) , die bevorzugt ausgewertet werden sollte, besonders hoch ist.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung handelt es sich bei den periodischen Mustern um eine Reihe aufeinander folgender Perioden des Encodermusters, wobei das jeweilige Muster der Reihe asymmetrisch ausgebildet ist. Diese Ausführungsform hat bestimmte Vorteile. Die davor beschriebene Verfahrensweise erfordert einen gewissen schal ^¬ tungstechnischen Aufwand, der vermieden werden kann, wenn eine einfachere, aber weniger leistungsfähigere Variante der Auswertung unterschiedlicher Steigungen gewählt wird. Dazu wird eine Reihe aufeinander folgender Perioden des

Encodermusters entsprechend modifiziert, so dass sich die Amplitude, Länge oder Phasenlage unterscheiden. Das Muster ist hierbei nun nicht mehr periodisch mit der ursprünglichen Periode, sondern mit der Länge der ganzen Reihe. Wenn hierbei das Muster der Reihe eine Asymmetrie aufweist, lässt sich mit der Reihe ähnlich verfahren wie mit einer in sich asymmetrischen Encoderform, nur ohne die Notwendigkeit zur spektralen Auswertung. Der Nachteil besteht in der geringeren Ortsauflösung, denn anstelle einer Periode der

Encoderform muss nun die ganze Reihe durchlaufen werden, um hinreichende Daten zur Entscheidung für eine Richtung zu erhalten .

Vorzugsweise besteht die Reihe aus gleichen symmetrischen Mustern, die sich lediglich in einer Eigenschaft voneinander unterscheiden, wobei insbesondere eine Eigenschaft des Mus ^¬ ters der Reihe drei verschiedene Werte aufweist (Eigenschaft = Amplitude, Frequenz oder Phasenlage) .

Da es keine allgemeinen Vorteile bietet, mehr als drei Peri ^¬ oden zu verwenden, andererseits mindestens eine Reihe von drei Perioden des unmodifizierten Muster benötigt wird, um die zur Richtungserkennung notwendige Asymmetrie durch Modi ^¬ fikation zu erzeugen und auch von den benachbarten Reihen abzugrenzen, wird die Verwendung von genau drei Perioden bevorzugt .

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Encoder und Sensor zusätzlich zur Winkel- oder Wegmessung ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäße Einrichtung lässt sich ohne Einschrän ^¬ kung auch für die Messung linearer Bewegungen nutzen. Hier- für ist lediglich ein linearer Encoder anstelle eines ringförmigen Encoders erforderlich. Neben allgemeinen Anwendungen an beliebigen rotierenden Wellen oder linear bewegten Maschinen- oder Fahrzeugteilen ist die Einrichtung für folgende Anwendungsfälle besonders geeignet:

1. Messung an Rädern von Fahrzeugen (Raddrehzahlsensoren)

2. Messung an Kurbelwellen von Verbrennungskraftmaschinen.

Dabei dient die Drehrichtungserkennung insbesondere der Feststellung des Stillstandswinkels beim Abschalten der Maschine. Zwar erkennen die meisten Verbrennungskraft ^¬ maschinen nur eine aktive Drehrichtung, kurz vor Stillstand kann es aber im Auslauf zeitweilig zu einer Bewe ^¬ gung in entgegengesetzter Richtung kommen. Die Messung des Stillstandswinkels erlaubt einen schnelleren Start beim Wiederanlassen und ist daher u.a. für Start-Stopp- Systeme relevant.

3. Messung an Antriebsstrangkomponenten von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Getrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei ^¬ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm, in dem der Verlauf von zwei

Signalen Sl und S2 dargestellt ist;

Figur 2a das Amplitudenspektrum der Signale Sl und S2; Figur 2b das Phasenspektrum der Signale Sl und S2;

Figur 3 eine Ausführungsform eines Encodermusters;

Figur 4 weitere Ausführungsform eines Encoder musters; und

Figur 5 dritte Ausführungsform eines Encoder

musters .

Alle Ausführungsbeispiele zeigen schematisch mögliche Imple ^¬ mentierungen der vorliegenden Erfindung. „Schematisch" heißt hierbei, dass von folgenden Eigenschaften einer konkreten Implementierung abstrahiert wurde, weil die entsprechenden Details in der Erfindung keine Veränderung gegenüber dem Stand der Technik erfahren. Als Merkmale sind sie mit der erfindungsgemäßen Lösung kombinierbar:

1. Die Messkoordinate: Alle Encoderformen sind aus Grün ^¬ den der zeichnerischen Einfachheit linear dargestellt, die Struktur des Encoders entlang der Messko ^¬ ordinate gilt jedoch genauso für ringförmige Encoder. Die Darstellung entspricht dann einer sogenannten Abwicklung. Die Bewegungsrichtung wird durch den Pfeil verdeutlicht .

2. Für die Variante, in der eine Reihe aus Perioden des

Encodermusters zur Richtungserkennung verwendet wird: Die messtechnische Optimierung eines Encoders umfasst auch die Gestaltung des Überganges zwischen den einzelnen Teilen des Musters, z.B. zwischen Zahn und Zahnlücke. Die gewählte schematische Darstellung be ^¬ schäftigt sich nicht mit der genauen Geometrie des Musters, sondern beinhaltet lediglich die Darstellung von Zahn und Zahnlücke als solches.

3. Die unterschiedliche Natur von Encodern, d.h. die

physikalische Größe, die innerhalb des Musters modu ^¬ liert, wird nicht betrachtet. Alle modulierenden Grö ^¬ ßen, ob geometrisch, magnetisch, optisch oder anderes, werden exemplarisch durch Zahn und Zahnlücke bzw. steigende und fallende Flanke, symbolisiert.

Figur 1 zeigt zwei Signale Sl und S2, die aus der Messung eines Encoders in zwei entgegengesetzten Richtungen resultieren. Daher unterscheiden sie sich nur in der Reihenfolge der einzelnen Bestandteile bzw. sind zueinander gespiegelt. Jedes Signal Sl und S2 besitzt eine steile und eine flache Flanke pro Periode. Periode und Amplitude sind auf willkür ^¬ liche Einheiten („a.u.", „arbitrary unit") normiert.

In Figur 2a ist das Amplitudenspektrum und in Figur 2b das Phasenspektrum der Signale Sl, S2 dargestellt. Die Linien für die Darstellung beider Signale wurden so gewählt, dass auch exakt übereinanderliegende Spektralkomponenten erkennbar sind. Sl ist dünn durchgezogen, S2 dick punktiert. Beide übereinander ergeben ein eindeutiges Muster - wie beim Amplitudenspektrum zu erkennen, das für beide Signale völlig identisch ist. Beim Phasenspektrum dagegen gibt es deutlich Unterschiede. Während die Phase der Grundschwingung überein ^¬ stimmt, was durch eine entsprechende Verschiebung der Signa ^¬ le S2 erreicht wurde (siehe Figur 1), weist die hauptsächli- che interessierende erste Harmonische - bei doppelter Fre ^¬ quenz - eine um Pi (180°) verschobene Phase auf, was der ma ^¬ ximal mögliche Wert ist. Zum besseren Verständnis ist Fol ^¬ gendes zu beachten: Die Verschiebung des Signals S2 erfolgte nur, um eine Übereinstimmung in der Phase der Grundschwingung zu erhalten, mit der die eigentlich interessierende Phasenverschiebung besser sichtbar wird. Da immer nur entweder Sl oder S2 vom Sensorsystem gemessen werden, gibt es keine messtechnisch relevante Phasenbeziehung zwischen Sl und S2. Entscheidend für die Richtungserkennung ist vielmehr die Phasenverschiebung zwischen der Grundschwingung und der erste Harmonischen jeweils eines der beiden Signale. Diese wird besser erkennbar, wenn die Grundschwingungen in Phase sind. Prinzipiell könnten auch Harmonische höherer Ordnung für die Richtungserkennung benutzt werden, wie am Phasenspektrum abgelesen werden kann. Dies ist aber unattraktiv, weil die Amplitude dieser Harmonischen deutlich geringer ist, wodurch eine stabile Phasenmessung in verrauschter Umgebung unnötig erschwert wird.

Figur 3 zeigt ein Encodermuster für die Variante der erfindungsgemäßen Lösung ohne spektrale Auswertung. Jeweils drei Zähne bilden eine Reihe, bei der die Richtung festgestellt werden kann, weil sich die Signalamplitude unterscheidet.

Figur 4 zeigt ein Encodermuster mit gleicher Funktion wie Figur 3, bei dem die Frequenz bzw. Länge der Bestandteile verändert wurde.

In Figur 5 schließlich wurde die Phasenlage der Bestandteile des Encodermusters verändert. Es handelt sich im Gegensatz zu Figur 3 und Figur 4 nicht um eine Reihe, bei der ein Ei ^¬ genschaft des Musters drei verschiedene Werte annimmt, son ^¬ dern eine Verschiebung des mittleren von drei Zähnen reicht bereits aus, um die Richtungserkennung zu ermöglichen (man betrachte die Lücken, die drei verschiedene Längen haben) . Die Figuren 4 und 5 lassen sich durch Vertauschung von Zahn und Lücke ineinander überführen, so dass die Unterscheidung mehr in der Interpretation des Signals als in der

Encoderform liegt.