DE102011075679A1

DE102011075679A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102011075679A1
Application number: DE102011075679A
Authority: DE
Inventors: Helge Dittmer; Ralf Noltemeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-15
Also published as: WO2012152516A2; WO2012152516A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (2), die mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Sensorelemente (6, 8) umfasst, wobei die Sensorelemente (6, 8) eine gemeinsame Versorgungsleitung (18) und eine gemeinsame Masseleitung (19) aufweisen, wobei mindestens ein Schaltungsteil (14) mit zumindest einem Sensorelement (6, 8) in Reihe geschaltet ist, und wobei das mindestens eine Schaltungsteil (14) dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung UV für das zumindest eine Sensorelement (6, 8) um eine Vorspannung UF zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, ein Verfahren zum Testen einer Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung.
Stand der Technik
Es ist vorgesehen, bei Sensoranordnungen aus Gründen der Redundanz und/oder zur Erhöhung der Sicherheit oder Verfügbarkeit von Signalen mehrere Sensorelemente zum Messen derselben Messgröße einzusetzen. Allerdings müssen bei derartigen Sensoranordnungen die verwendeten Sensorelemente an voneinander getrennten Versorgungs- und Masseleitungen angeschlossen werden. Somit ergibt sich, dass diese Sensoranordnungen relativ viele Leitungen sowie Sensorstecker benötigen.
Eine Sensoranordnung zur Ermittlung eines Drehmoments oder eines Differenzwinkels ist aus der Druckschrift DE 10 2007 028 481 A1 bekannt und umfasst zwei Sensorelemente zum Erfassen des Drehmoments oder des Differenzwinkels. Die Sensorelemente weisen eine integrierte Sensoranordnung zum Umsetzen einer Magnetfeldinformation in eine digitale Information auf. Außerdem können die Sensorelemente zur Übertragung durch das digitale Übertragungsprotokoll Zusatzinformationen bereitstellen. Dabei kann einem Sensorelement als Zusatzinformation ein Ausgangssignal eines Schaltmittels zugeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoranordnung und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst in Ausgestaltung zumindest zwei zueinander parallel geschaltete Sensorelemente zum redundanten Erfassen einer physikalischen Größe, wobei die mindestens zwei Sensorelemente mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei ist die Sensoranordnung über einen ersten Knoten mit einer externen, positiven Versorgungsleitung verbunden, über die die Sensoranordnung sowie die Sensorelemente an einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Außerdem ist die Sensoranordnung über einen zweiten Knoten mit einer als Masseleitung ausgebildeten externen Versorgungsleitung verbunden. Die Spannungsquelle kann in Ausgestaltung eine variabel einstellbare Haupt-Versorgungsspannung bereitstellen.
Innerhalb der Sensoranordnung können die Sensorelemente zueinander parallel geschaltet sein. Dabei ist jedes Sensorelement in einem Zweig der Sensoranordnung angeordnet. Außerdem umfasst die Sensoranordnung mindestens ein Schaltungsteil, das in mindestens einem Zweig der Sensoranordnung angeordnet und innerhalb dieses mindestens einen Zweigs mit einem Sensorelement in Reihe geschaltet ist.
In Ausgestaltung ist ein erstes Sensorelement direkt mit den beiden Knoten der Sensoranordnung verbunden. Mindestens ein zweites, weiteres Sensorelement ist mit einem Schaltungsteil in Reihe geschaltet, wobei das mindestens eine zweite Schaltungselement einerseits direkt und andererseits über das Schaltungsteil mit den Knoten der Sensoranordnung verbunden ist. Über das zumindest eine Schaltungsteil wird für das mindestens eine zweite Sensorelement eine Versorgungsspannung um eine Vorspannung reduziert.
Somit kann ein Sicherheitskonzept zum Verursachen einer Vorspannung an einer internen Versorgungsleitung mindestens eines der Sensorelemente bereitgestellt werden. Durch diese Maßnahme ergibt sich, dass die Sensorelemente mit unterschiedlich hohen Versorgungsspannungen betrieben werden. Die Knoten der Sensoranordnung und somit auch die Sensorelemente sind über die Versorgungsleitung und die Masseleitung mit der Spannungsquelle verbunden, die üblicherweise in einem Steuergerät für die Sensoranordnung angeordnet ist. Außerdem kann das Steuergerät auch Signale mit Messwerten, die die Sensorelemente zu der erfassten physikalischen Größe bereitstellen, auswerten.
Ein Test einer ordnungsgemäßen Funktion aller Sensorelemente kann mit Algorithmen durchgeführt werden. Bei dem Test kann üblicherweise vorgesehen sein, dass das Steuergerät der Sensoranordnung verschiedene variable Haupt-Versorgungsspannungen als Test-Versorgungsspannungen bereitstellt. Somit ist es möglich, dass ggf. vorhandene Fehler erkannt und die Sensorelemente validiert werden.
Durch die gemeinsame Nutzung von Versorgungsleitungen durch alle Sensorelemente kann eine hohe Signalsicherheit erreicht und gleichzeitig die Anzahl benötigter Versorgungsleitungen reduziert werden. Dabei wird eine erste gemeinsam genutzte Versorgungsleitung, die mit dem ersten Knoten verbunden ist, auch als positive Versorgungsleitung bezeichnet, über die der erste Knoten mit der Haupt-Versorgungsspannung (V_DD) einer bspw. als Batterie ausgebildeten Spannungsquellen verbunden ist. Die zweite gemeinsam genutzte Versorgungsleitung wird auch als Masseleitung bezeichnet, über die der zweite Knoten mit der elektrischen Masse (GND) verbunden ist.
Das im Rahmen der Erfindung vorgesehene Konzept zur Bereitstellung einer Sensoranordnung mit erhöhter Sicherheit kann für Sensoranordnungen eingesetzt werden, die als Drehwinkel- und/oder Drehmomentsensoren, bspw. für eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs, zur Anwendung kommen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und ein Diagramm zu einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und ein Diagramm zu einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
1a zeigt in schematischer Darstellung die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 2, die eine Schaltungsanordnung 4 sowie ein erstes Sensorelement 6 und ein zweites Sensorelement 8 umfasst, die gleichartig und zum redundanten Erfassen einer physikalischen Größe ausgebildet sind. 1b zeigt Details aus 1a als schematischen Schaltplan. In 1c ist ein Diagramm zu einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit der Schaltungsanordnung 2 durchführbar ist, dargestellt.
Die Sensoranordnung 2 umfasst einen ersten Knoten 10 und einen zweiten Knoten 12, zwischen denen die Sensoranordnung 2 zwei zueinander parallel geschaltete Zweige aufweist. Dabei ist das erste Sensorelement 6 in dem ersten Zweig angeordnet. In dem zweiten Zweig sind das zweite Sensorelement 8 und ein zusätzliches Schaltungsteil 14 in Reihe geschaltet sowie parallel zu dem ersten Sensorelement 6 angeordnet.
Dabei ist das erste Sensorelement 6 innerhalb des ersten Zweigs über interne Schaltungsleitungen 16 mit den beiden Knoten 10, 12 verbunden. Das zweite Sensorelement 8 sowie das Schaltungsteil 14 sind über eine interne Schaltungsleitung 16 miteinander verbunden. Außerdem ist das zweite Sensorelement 8 über eine interne Schaltungsleitung 16 mit dem zweiten Knoten 12 verbunden. Das Schaltungsteil 14 ist ebenfalls über eine interne Schaltungsleitung 16 mit dem ersten Knoten 10 verbunden.
Weiterhin ist der erste Knoten 10 der Sensoranordnung 2 über eine gemeinsame Versorgungsleitung 18 für alle Sensorelemente 6, 8 mit einer als Batterie ausgebildeten Spannungsquelle verbunden, die hier in einem Steuergerät 20 angeordnet ist. Der zweite Knoten 12 der Schaltungsanordnung 4 ist über eine gemeinsame Masseleitung 19 für alle Sensorelemente 6, 8 mit der Spannungsquelle verbunden. Dabei umfasst die Versorgungs- und Masseleitung 18, 19 jeweils einen Abschnitt innerhalb eines Gehäuses 21 der Sensoranordnung 2 und einen Abschnitt außerhalb des Gehäuses 21 der Sensoranordnung 2. Dabei sind die Abschnitte der Versorgungs- und Masseleitung 18, 19 innerhalb des Gehäuses 21 über als Stecker 22 ausgebildete Anschlüsse des Gehäuses 21 mit Abschnitten der Versorgungs- und Masseleitung 18, 19, die außerhalb des Gehäuses 21 angeordnet sind, verbunden, die wiederum mit Steckern 24 des Steuergeräts 24 als Anschlüsse verbunden sind. Demnach sind die beiden Sensorelemente 6, 8 über eine gemeinsame Versorgungsleitung 18 und eine gemeinsame Masseleitung 19 mit der Spannungsquelle, die hier innerhalb des Steuergeräts 20 angeordnet ist, verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird über den ersten Knoten 10 eine Verzweigung zu dem ersten Sensorelement 6 und dem Schaltungsteil 14 bereitgestellt. Außerdem ist der erste Knoten 10 über die Versorgungsleitung 18 mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Der zweite Knoten 12 stellt eine Verzweigung zu dem ersten Sensorelement 6 und dem zweiten Sensorelement 8 bereit. Außerdem ist der zweite Knoten 12 über die Masseleitung 19 mit dem Minuspol der Spannungsquelle und somit mit der elektrischen Masse (GND) verbunden. Die erste Versorgungsleitung 18 ist mit einer üblicherweise variabel einstellbaren Haupt-Versorgungsspannung U_DD, die von der Spannungsquelle bereitgestellt wird, verbunden.
Weiterhin ist das Steuergerät 20 zur Auswertung von Messwerten, die von den Sensorelementen 6, 8 zu der physikalischen Größe redundant erzeugt werden, ausgebildet. Diese Messwerte werden ausgehend von den Sensorelementen 6, 8 über Signale an das Steuergerät 20 übermittelt. Hierzu ist jedes Sensorelement 6, 8 über eine Signalleitung 26 mit dem Steuergerät 20 verbunden. Dabei umfasst jede Signalleitung 26 einen Abschnitt innerhalb des Gehäuses 21 der Sensoranordnung 2 und einen Abschnitt außerhalb des Gehäuses 21, die über Stecker 22 der Sensoranordnung 2 miteinander verbunden sind. Die Abschnitte der Signalleitungen 26 außerhalb des Gehäuses 21 der Sensoranordnung 2 sind über Stecker 24 des Steuergeräts 20 mit diesem verbunden.
Unabhängig davon, wie die Knoten 10, 12 mit der Spannungsquelle verbunden sind, ist vorgesehen, dass an dem Schaltungsteil 14 eine Vorspannung U_F abfällt. Daraus ergibt sich, dass an dem zweiten Sensorelement 8, das mit dem Schaltungsteil 14 in Reihe geschaltet ist, eine reduzierte Versorgungsspannung U_V = U_DD – U_F anliegt, die geringer als die Haupt-Versorgungsspannung U_DD ist, die an dem ersten Sensorelement 6 anliegt, das zu dem zweiten Sensorelement 8 und dem Schaltungsteil 14 parallel geschaltet ist. Somit wird das erste Sensorelement 6 mit einer höheren Versorgungsspannung, d. h. der Haupt-Versorgungsspannung U_DD, als das zweite Sensorelement 8 versorgt, an dem die reduzierte Versorgungsspannung U_V = U_DD – U_F anliegt.
Das beschriebene Schaltungsteil 14, mit dem die Haupt-Versorgungsspannung U_DD für das zweite Sensorelement 8 um die Vorspannung U_F zu reduzieren ist, kann mindestens einen Widerstand, üblicherweise einen ohm’schen Widerstand, und/oder mindestens eine in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode umfassen. Dadurch ergibt sich, dass an dem Schaltungsteil 14 die Vorspannung U_F anliegt.
Das Steuergerät 20, mit dem die Sensoranordnung 2 verbunden ist und hier die Spannungsquelle mit der Haupt-Versorgungsspannung U_DD umfasst, stellt die von den Sensorelementen 6, 8 benötigte Versorgungsspannung U_V ein und liest die von den Sensorelementen 6, 8 über die Signalleitungen 26 als Signale bereitgestellten Messwerte aus. Die einzelnen Sensorelemente 6, 8 werden mit einer bestimmten Versorgungsspannung U_V betrieben, damit diese die Messwerte über die Signalleitungen 26, die auch als Ausgangsleitungen bezeichnet werden können, ausgeben.
Bei der beschriebenen Ausführungsform liegt an der Signalleitung 26 des ersten Sensorelements 6 eine minimale Signalspannung an, die jedoch größer als eine Resetschwellen-Spannung U_POR für das erste Sensorelement 6 sein muss, da das erste Sensorelement 6 unterhalb der Resetschwellen-Spannung U_POR keine Messwerte liefert. Im vorliegenden Fall entspricht die Signalspannung für das erste Sensorelement 6 der Haupt-Versorgungsspannung U_DD. Für das zweite Sensorelement 8 beträgt die Resetschwellen-Spannung ebenfalls U_POR, unterhalb der das zweite Sensorelement 8 keine Messwerte liefert. Folglich muss eine an der Signalleitung 26 des zweiten Sensorelements 8 anliegende minimale Signalspannung U_DD – U_F ebenfalls größer als die Resetschwellen-Spannung U_POR sein. Typischerweise unterliegt die Resetschwellen-Spannung U_POR Schwankungen, die sich z. B. aufgrund einer Änderung der Temperatur oder aufgrund von Prozessvariationen ergeben können. Das Schaltungsteil 14 wird so ausgelegt, dass die auftretenden Varianzen der Resetschwellen-Spannungen U_POR aller Sensorelemente 6, 8 in allen Betriebszuständen abgedeckt werden.
Mit einem Test kann gewährleistet werden, dass beide Sensorelemente 6, 8 jeweils mit der gewünschten ausreichenden Versorgungsspannung U_V versorgt werden, so dass für Signale der beiden Schaltungselemente 6, 8 die Resetschwellen-Spannung U_POR nicht unterschritten wird, und dass kein zusätzlicher, ungewollter Spannungsabfall oder ein Kurzschluss zwischen dem Steuergerät 20 und den Sensorelementen 6, 8 auftritt. Hierzu wird die Haupt-Versorgungsspannung U_DD so eingestellt, dass das erste Sensorelement 6, das mit der Haupt-Versorgungsspannung U_DD direkt versorgt wird, gemäß seiner Spezifikation betrieben wird und zum Steuergerät 20 Messwerte überträgt. Das zweite Sensorelement 8 wird lediglich mit der reduzierten Versorgungsspannung U_DD – U_F versorgt.
Mindestens eine hierzu vorgesehene Einstellung der Haupt-Versorgungsspannung U_DD durch das Steuergerät 20 wird typischerweise beim Start der Sensoranordnung 2 in einem Testbetrieb durchgeführt. Hierzu wird die Haupt-Versorgungsspannung U_DD auf einen niedrigen Wert eigestellt, für den gilt: U_DD ≥ U_POR und U_DD < U_POR + U_F. Bei dieser Einstellung der Haupt-Versorgungsspannung U_DD kann das zweite Sensorelement 8 keine Signale an das Steuergerät 20 senden, da die reduzierte U_V Versorgungsspannung U_DD – U_F geringer als die Resetschwellen-Spannung U_POR ist. Falls die Sensoranordnung 2 korrekt funktioniert, wird bei dieser Einstellung der Haupt-Versorgungsspannung U_DD nur von dem ersten Sensorelement 6 ein Signal übertragen, wohingegen von dem zweiten Sensorelement 8 kein Signal übertragen wird. Falls jedoch von dem zweiten Sensorelement 8 im Testbetrieb bei der eingestellten Haupt-Versorgungsspannung U_DD ebenfalls ein Signal übertragen wird, liegt ein Defekt vor. Im Rahmen des Testbetriebs ist es auch möglich, die Haupt-Versorgungsspannung U_DD zu variieren.
Somit können einige Fälle von Defekten erkannt werden, die bei gemeinsam genutzten Leitungen und ohne das Schaltungsteil 14 zum Reduzieren der Versorgungsspannung um die Vorspannung U_F nicht nachweisbar sind. Besonders bei sicherheitskritischen Anwendungen ist es notwendig, dass solche kritischen Zustände identifiziert werden.
Nach erfolgreich durchgeführtem Testbetrieb wird die Haupt-Versorgungsspannung U_DD so angehoben, dass alle Sensorelemente 6, 8 mit ihrer nominalen Spannung versorgt werden, um über die Signalleitungen 26 reguläre Messwerte bereitzustellen. In diesem Fall gilt für die Haupt-Versorgungsspannung U_DD ≥ U_POR + U_F.
Das Diagramm aus 1c zur Darstellung eines Verhaltens der beiden Sensorelemente 6, 8 und der gesamten Sensoranordnung 2 bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Abszisse 80, über der eine Ordinate 82 für Werte der elektrischen Spannung aufgetragen ist. Innerhalb des Diagramms stellt eine erste Spannungseinteilung 84 das Verhalten des ersten Sensorelements 6 und eine zweite Spannungseinteilung 86 das Verhalten des zweiten Sensorelements 8 dar. Eine dritte Spannungseinteilung 88 und eine vierte Spannungseinteilung 90 stellen das Verhalten der gesamten Sensoranordnung 2 dar.
Alle Spannungseinteilungen 84, 86, 88, 90 umfassen drei Spannungsbereiche 92, 94, 96, wobei ein erster Spannungsbereich 92 kennzeichnet, dass keine Signale bereitgestellt werden. Ein zweiter Spannungsbereich 94 kennzeichnet, dass Signale mit reduzierter Genauigkeit bereitgestellt werden. Durch einen dritten Spannungsbereich 96 ist gekennzeichnet, dass Signale mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden.
Entlang der Ordinate 82 sind eine erste Betriebsspannung U_B1 98, eine zweite Betriebsspannung U_B2 100 und eine dritte Betriebsspannung U_B3 102 angegeben.
Weiterhin ist vorgesehen, dass für beide Sensorelemente 6, 8 nunmehr eine erste Resetschwellen-Spannung U_POR1 106, die hier der ersten Betriebsspannung U_B1 98 entspricht, und eine zweite Resetschwellen-Spannung U_POR2 108 definiert sind, die für die erste Spannungseinteilung 84 angegeben sind. Falls an der Sensoranordnung 2 eine Versorgungsspannung U_V anliegt, die geringer als die erste Betriebsspannung U_B1 98 und somit geringer als die erste Resetschwellen-Spannungen U_POR1 106 ist, liefert das erste Sensorelement 6 kein Signal. Falls an der Sensoranordnung 2 eine Versorgungsspannung U_V anliegt, die größergleich der ersten Resetschwellen-Spannung U_POR1 106 aber kleiner als die zweite Resetschwellen-Spannung U_POR2 108 ist, liefert das erste Sensorelement 6 Signale mit reduzierter Genauigkeit. Falls an der Sensoranordnung 2 eine Versorgungsspannung U_V anliegt, die größer-gleich der zweiten Resetschwellen-Spannungen U_POR2 108 ist, liefert das erste Sensorelement 6 Signale mit nominaler (hoher) Genauigkeit.
Demnach kann für die Sensorelemente 6, 8 mindestens eine Resetschwellen-Spannung U_POR1 106, U_POR2 108 vorgesehen sein, wobei durch die mindestens eine Resetschwellen-Spannung U_POR1 106, U_POR2 108 mindestens zwei Betriebsweisen bzw. Betriebsmodi der Sensorelemente 6, 8 definiert werden.
Für das zweite Sensorelement 8 ist zu berücksichtigen, dass eine an der Sensoranordnung 2 anliegende Versorgungsspannung U_V für das zweite Sensorelement 8 um die Vorspannung U_F 110 reduziert ist, die hier einer Differenz der zweiten Versorgungsspannung U_V2 100 abzüglich der ersten Versorgungsspannung U_V1 98 bzw. der ersten Resetschwellen-Spannung U_POR1 106 entspricht. Wie die zweite Spannungseinteilung 86 zeigt, ist ein Verhalten des zweiten Sensorelements 8 im Vergleich zu dem Verhalten des ersten Sensorelements 6 um einen Wert der Vorspannung U_F 110 verschoben. So liefert das zweite Sensorelement 8 keine Signale, wenn die Versorgungsspannung U_V kleiner als die zweite Betriebsspannung U_B2 100 ist, Signale mit reduzierter Genauigkeit, falls die Versorgungsspannung größer-gleich der zweiten Betriebsspannung U_B2 100 aber kleiner als die dritte Betriebsspannung U_B3 102 ist, und Signale hoher Genauigkeit, wenn die Versorgungsspannung U_V größer-gleich der dritten Betriebsspannung U_B3 102 ist. Dabei entspricht die dritte Betriebsspannung U_B3 102 der Summe der zweiten Resetschwellen-Spannung U_POR2 108 zuzüglich der Vorspannung U_F 110.
Wie die dritte sowie die vierte Spannungseinteilungen 88, 90 zeigen, ergibt sich für die komplette Sensoranordnung 2 eine Überlappung der Spannungsbereiche 92, 94, 96 der beiden Sensorelemente 6, 8. Solange nicht beide Sensorelemente 6, 8 mit hoher Genauigkeit der Signale arbeiten, weist die Sensoranordnung 2 auch nur eine geringe Genauigkeit der Signale auf, falls die Versorgungsspannung U_V größer-gleich der ersten Betriebsspannung U_B1 98 aber kleiner als die dritte Betriebsspannung U_B3 102 ist. Für eine Versorgungsspannungen U_V kleiner der ersten Betriebsspannung U_B1 98 stellt die Sensoranordnung 2 keine Signale und für eine Versorgungsspannung U_V größer-gleich der dritten Betriebsspannung U_B3 102 Signale hoher Qualität bereit.
Mit dem Steuergerät 20 können Risiken, die durch eine Versorgung der Sensoranordnung 2 mit einer einzigen, nicht redundanten Haupt-Versorgungsspannung U_DD entstehen, durch Verändern der Versorgungsspannung U_V überprüft werden. Ein hierzu vorgesehener Testbetrieb kann z. B. direkt nach dem Einschalten der Sensoranordnung 2 durchgeführt werden, da hierfür üblicherweise die meiste Zeit zur Verfügung steht. Hierzu ist bei der vierten Spannungseinteilung 90, die aus der dritten Spannungseinteilung 88 hervorgeht, ein Testspannungsbereich 112 dargestellt, innerhalb dem die Versorgungsspannung U_V im Testbetrieb zu variieren ist, um eine Funktionstüchtigkeit der Sensoranordnung 2 und/oder der Sensorelemente 6, 8 zu überprüfen. Der Testspannungsbereich 112 ist durch einen unteren und einen oberen Wert der Spannung begrenzt. Hierbei ist der untere Wert größer null, aber geringfügig kleiner als die erste Betriebsspannung U_B1 100. Der obere Wert ist geringfügig größer als die zweite Betriebsspannung U_B2 100, aber kleiner als die dritte Betriebsspannung U_B3 102.
Die in 2a schematisch dargestellte zweite Ausführungsform der Sensoranordnung 32 verbindet n Sensorelemente 34, 36, 38, 40 mit einer hier nicht gezeigten Spannungsquelle, die eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD, die variabel eingestellt werden kann, bereitstellt. Die Sensoranordnung 32 umfasst n zueinander parallel geschaltete Zweige 42, 44, 46, 48 und mindestens ein Schaltungsteil 50, 52, 54, 56, das bspw. mindestens einen Widerstand und/oder zumindest eine in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode umfassen kann. Üblicherweise ist n ≥ 2. Dabei ist in jedem Zweig 42, 44, 46, 48 ein Sensorelement 34, 36, 38, 40 angeordnet. Außerdem ist in mindestens einem Zweig 42, 44, 46, 48 das angeordnete Sensorelement 34, 36, 38, 40 mit einem Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 in Reihe geschaltet, wobei ein k-tes Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 dazu ausgebildet ist, für ein Sensorelement 34, 36, 38, 40, mit dem das k-te Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 in Reihe geschaltet ist, eine Versorgungsspannung U_V um eine Vorspannung U_F, bspw. U_Fk, zu reduzieren. Die Zweige 42, 44, 46, 48 sind zwischen zwei Knoten 60, 62 der Sensoranordnung 32 angeordnet. Die Sensorelemente 34, 36, 38, 40 weisen eine gemeinsame Versorgungsleitung 65 und eine gemeinsame Masseleitung 66 als Verbindung zu der Spannungsquelle auf.
Für die Sensorelemente 34, 36, 38, 40 ist eine Resetschwellen-Spannung U_POR vorgesehen, wobei von einem Sensorelement 34, 36, 38, 40, das mit dem k-ten Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 in Reihe geschaltet ist, ein Signal bereitgestellt wird, wenn an dem Sensorelement 34, 36, 38, 40 eine Versorgungsspannung U_DD ≥ U_POR + U_Fk anliegt. Von dem Sensorelement 34, 36, 38, 40, das mit dem k-ten Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 in Reihe geschaltet ist, wird jedoch kein Signal bereitgestellt, wenn an dem Sensorelement 34, 36, 38, 40 eine Versorgungsspannung U_DD < U_POR + U_Fk anliegt.
In der in 2a gezeigten Ausführungsform ist jedem Sensorelement 34, 36, 38, 40 ein Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 vorgeschaltet, somit sind in jedem Zweig 42, 44, 46, 48 ein Sensorelement 34, 36, 38, 40 und ein Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 in Reihe geschaltet.
Die Schaltungsteile 50, 52, 54, 56 reduzieren die Versorgungsspannungen U_V für die Sensorelemente 34, 36, 38, 40 um unterschiedlich hohe Vorspannungen U_Fk, wobei hier gilt: U_Fk < U_Fk+1. Demnach ist hier eine erste Vorspannung U_F1 eines ersten Schaltungsteils 50, das mit einem ersten Sensorelement 34 in Reihe geschaltet ist, kleiner als eine zweite Vorspannung U_F2 eines zweiten Schaltungsteils 52, das mit einem zweiten Sensorelement 36 in Reihe geschaltet ist. Die zweite Vorspannung U_F2 ist kleiner als eine n-1-te Vorspannung U_Fn-1 eines n-1-ten Schaltungsteils 54, das einem n-1-ten Sensorelement 38 vorgeschaltet ist. Eine n-te Vorspannung U_Fn eines n-ten Schaltungsteils 56, das mit einem n-ten Sensorelement 40 in Serie geschaltet ist, ist größer als die n-1-te Vorspannung U_Fn-1. Somit gilt insgesamt: U_F1 < U_F2 < U_Fn-1 < U_Fn.
Das Diagramm aus 2b umfasst eine Abszisse 66, über der eine Ordinate 68 für Werte der elektrischen Spannung aufgetragen ist. Falls an den beiden Knoten 62, 64 eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD anliegt, so liegt an dem ersten Sensorelement 34 eine erste Versorgungsspannung 70 U_V1 = U_DD – U_F1 an. An dem zweiten Sensorelement 36 liegt eine zweite Versorgungsspannung 72 U_V2 = U_DD – U_F2 und an dem n-1-ten Sensorelement 38 eine n-1-te Versorgungsspannung 74 U_Vn-1 = U_DD – U_Fn-1 an. Eine n-te Versorgungsspannung 76 U_Vn = U_DD – U_Fn liegt an dem n-ten Sensorelement 40 an.
Es ist vorgesehen, dass ein Sensorelement 34, 36, 38, 40 dann ein Signal zu einer physikalischen Größe bereitstellt, wenn an diesem Sensorelement 34, 36, 38, 40 eine Versorgungsspannung 70, 72, 74, 76 U_V anliegt, die größer als die Resetschwellen-Spannung U_POR ist, die für alle Sensorelemente 34, 36, 38, 40 gleich ist, da diese gleichartig ausgebildet sind, so dass die Sensorelemente 34, 36, 38, 40 die physikalische Größe redundant messen können.
Zum Testen der Sensoranordnung 32 wird durch die Spannungsquelle eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD angelegt, für die gilt: U_DD ≥ U_POR + U_Fk und U_DD < U_POR + U_Fk+1, wobei U_Fk < U_Fk+1 ist. Die Sensoranordnung 32 ist in Ordnung, wenn bei der angelegten Haupt-Versorgungsspannung U_DD k Sensorelemente 34, 36, 38, 40 ein Signal und n – k Sensorelemente 34, 36, 38, 40 kein Signal liefern. Hierzu kann die Haupt-Versorgungsspannung U_DD variiert werden. Falls für die angelegte Haupt-Versorgungsspannung gilt: U_DD ≥ U_POR + U_F1 und U_DD < U_POR + U_F2, sendet nur das erste Sensorelement 34 ein Signal. Falls für die Haupt-Versorgungsspannung U_DD ≥ U_POR + U_F2 mit U_DD < U_POR + U_Fm-1 gilt, senden nur das erste und zweite Sensorelement 34, 36 Signale. Somit stellen sämtliche Sensorelemente 34, 36, 38, 40 ein Signal bereit, die mit einer Versorgungsspannung U_V versorgt werden, für die gilt U_V = U_DD ≥ U_POR + U_F. Sensorelemente 34, 36, 38, 40, für deren Versorgungsspannung U_V = U_DD < U_POR + U_F gilt, stellen kein Signal bereit.
In einer alternativen Ausgestaltung der Sensoranordnung ist in mindestens einem Zweig nur ein Sensorelement anzuordnen. In mindestens einem weiteren Zweig sind ein Sensorelement und ein Schaltungsteil in Reihe geschaltet. Somit ergibt sich, dass zumindest einem Sensorelement kein Schaltungsteil vorgeschaltet ist. In mindestens einem weiteren Zweig ist einem Sensorelement ein Schaltungsteil vorgeschaltet.
Die Haupt-Versorgungsspannung U_DD wird für Sensorelemente von den vorgeschalteten Schaltungsteilen um verschiedene Vorspannungen U_F, bspw. U_Fk, U_Fk+1, reduziert, wobei für die Vorspannungen gilt: U_Fk < U_Fk+1. Für die Sensorelemente ist ebenfalls eine Resetschwellen-Spannung U_POR vorgesehen. Außerdem kann die Haupt-Versorgungsspannung U_DD variabel eingestellt werden. Von einem Sensorelement wird ein Signal bereitgestellt, wenn an diesem Sensorelement eine Versorgungsspannung U_V ≥ U_POR + U_Fk bzw. U_V ≥ U_POR + U_F anliegt. Falls an dem Sensorelement jedoch eine Versorgungsspannung U_V < U_POR + U_Fk+1 bzw. U_V < U_POR + U_F anliegt, stellt es kein Signal bereit.
Dieser allgemeine Fall ist für n = 2 anhand der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 4 exemplarisch beschrieben.
Die Sensoranordnung umfasst üblicherweise eine beliebige Anzahl von n Zweigen mit n anzuordnenden Sensorelementen, wobei in mindestens einem Zweig und maximal in m ≤ n Zweigen ein k-tes Schaltungsteil mit einem Sensorelement in Reihe geschaltet ist.
Zum Testen der Sensoranordnung ist vorgesehen, dass durch die Spannungsquelle eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD für die Sensoranordnung auf einen Wert zum Testen der Sensoranordnung eingestellt und überprüft wird, von welchen Sensorelementen in Abhängigkeit des eingestellten Werts der Spannung ein Signal bereitgestellt wird, und von welchen Sensorelementen in Abhängigkeit des eingestellten Werts der Spannung kein Signal bereitgestellt wird.
Üblicherweise dürfen bei dem Test nur jene Sensorelemente ein Signal liefern, an denen auch bei vorgeschaltetem Schaltungsteil eine Versorgungsspannung anliegt, die größer oder gleich der Resetschwellen-Spannung U_POR ist. Sensorelemente, an denen eine Versorgungsspannung anliegt, die geringer als die Resetschwellen-Spannung U_POR ist, dürfen kein Signal bereitstellen.
In Ausgestaltung wird durch die Spannungsquelle eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD angelegt, für die gilt: U_DD ≥ U_POR + U_Fk. Die Sensoranordnung ist in Ordnung und somit funktionstüchtig, wenn bei der angelegten Haupt-Versorgungsspannung U_DD nur jene k Sensorelemente, denen ein k-tes Schaltungsteil vorgeschaltet ist, ein Signal liefern, an denen eine Spannung U_DD ≥ U_POR + U_Fk anliegt, wohingegen m – k Sensorelemente, an denen die Spannung U_DD < U_POR + U_Fk anliegt, kein Signal liefern.
Insgesamt umfasst eine erfindungsgemäße Sensoranordnung n und somit mindestens zwei Sensorelemente 34, 36, 38, 40, die wiederum n Zweige mit mindestens einem Schaltungsteil 50, 52, 54, 56 umfasst.
Nach erfolgtem Test der Sensoranordnung ist für einen Dauerbetrieb die Haupt-Versorgungsspannung U_DD so zu wählen, dass an sämtlichen Sensorelementen 34, 36, 38, 40 zumindest die Resetschwellen-Spannung U_POR anliegt. Damit sämtliche Sensorelemente 34, 36, 38, 40 Signale liefern, ist die Haupt-Versorgungsspannung U_DD größer als die Summe aus der Resetschwellen-Spannung U_POR zuzüglich der größten Vorspannung U_Fmax zu wählen, die eine Versorgungsspannung U_V von mindestens einem Sensorelement 34, 36, 38, 40 reduziert, d. h. U_DD ≥ U_POR + U_Fmax.
Unter dieser Voraussetzung kann von sämtlichen Sensorelementen der Sensoranordnung 32 eine physikalische Größe redundant erfasst und Messwerte zu der physikalischen Größe über Signale bereitgestellt werden. Bei der physikalischen Größe kann es sich bspw. um einen Drehwinkel und/oder ein Drehmoment zum Erfassen einer Drehbewegung von mindestens einer Welle handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007028481 A1 [0003]

Claims

Sensoranordnung, die mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Sensorelemente (6, 8, 34, 36, 38, 40) umfasst, wobei die Sensorelemente (6, 8, 34, 36, 38, 40) eine gemeinsame Versorgungsleitung (18) und eine gemeinsame Masseleitung (19) aufweisen, wobei mindestens ein Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) mit zumindest einem Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) in Reihe geschaltet ist, und wobei das mindestens eine Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung U_V für das zumindest eine Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) um eine Vorspannung U_F (110) zu reduzieren.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, die zumindest zwei zueinander parallel geschaltete Zweige (42, 44, 46, 48) aufweist, wobei in jedem Zweig (42, 44, 46, 48) ein Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) angeordnet ist, wobei in mindestens einem Zweig (6, 8, 34, 36, 38, 40) nur ein Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) angeordnet ist, und wobei in mindestens einem Zweig (6, 8, 34, 36, 38, 40) ein Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) und ein Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei dem jedes Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) mit einem Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) in Reihe geschaltet ist.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) zumindest einen Widerstand umfasst.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) zumindest eine in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode umfasst.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, das mehrere Schaltungsteile (14, 50, 52, 54, 56) aufweist, wobei jedes Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) die Versorgungsspannung U_V um eine andere Vorspannung U_F (110) reduziert.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der für die Sensorelemente (6, 8, 34, 36, 38, 40) mindestens eine Resetschwellen-Spannung U_POR, U_POR1, U_POR2 vorgesehen ist, wobei von dem zumindest einen Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40), das mit dem mindestens einen Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) in Reihe geschaltet ist, ein Signal bereitgestellt wird, wenn an dem Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) eine Versorgungsspannung U_V ≥ U_POR + U_F anliegt.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Sensorelemente (6, 8, 34, 36, 38, 40) dazu ausgebildet sind, eine physikalische Größe, bspw. einen Drehwinkel oder ein Drehmoment, redundant zu erfassen.
Verfahren zum Testen einer Sensoranordnung (2, 32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD für die Sensoranordnung (2, 32) auf einen Wert zum Testen der Sensoranordnung (2, 32) eingestellt und überprüft wird, von welchen Sensorelementen (6, 8, 34, 36, 38, 40) in Abhängigkeit des eingestellten Werts der Spannung ein Signal bereitgestellt wird, und von welchen Sensorelementen (6, 8, 34, 36, 38, 40) in Abhängigkeit des eingestellten Werts der Spannung kein Signal bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung (2, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die durch ein Verfahren nach Anspruch 9 getestet wurde, bei dem der Sensoranordnung (2, 32) eine Haupt-Versorgungsspannung U_DD bereitgestellt wird, für die gilt: U_DD ≥ U_POR + U_Fmax, wobei U_Fmax die größte Vorspannung ist, um die ein Schaltungsteil (14, 50, 52, 54, 56) eine Versorgungsspannung U_V von zumindest einem Sensorelement (6, 8, 34, 36, 38, 40) reduziert.