DE112006000835T5

DE112006000835T5 - Signalkonditionierungssystem für einen induktiven Positionssensor

Info

Publication number: DE112006000835T5
Application number: DE112006000835T
Authority: DE
Inventors: Joong K. Chatham Lee
Original assignee: KSR International Co
Current assignee: KSR Technologies Co
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: US7292026B2; JP4986988B2; KR101238243B1; DE112006000835B4; JP2008535430A; RU2007141296A; CN101189490A; CA2604051A1; KR20070122533A; CN101189490B; WO2006106422A2; BRPI0612438A2; US20060255794A1; AU2006231914A1; WO2006106422A3

Abstract

Auf diese Weise unsere Erfindung offenbart, beanspruchen wir:
Eine Vorrichtung zur Verfügung Stellung eines Auslasssignals korrelierend mit einer Beuteilposition für ein bewegbares Bauteil über einen Lagebereich, die Vorrichtung weist auf:
eine Sendespule, die Sendespule produziert ein elektromagnetisches Feld, wenn diese durch ein Anregungssignal angeregt wird;
eine Empfangsspule benachbart zu der Sendespule angeordnet, die Empfangsspule generiert ein Empfangssignal, wenn die Sendespule angeregt ist aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule, das Empfangssignal ist empfindlich auf die Bauteilposition;
eine Referenzspule, die ein Referenzsignal im Wesentlichen unabhängig von der Bauteilposition zur Verfügung stellt;
einen Signalaufbereiter, der das Empfangssignal und das Referenzsignal erhält, der Signalaufbereiter enthält einen Analogteiler und generiert ein Verhältnissignal aus dem Empfangssignal und dem Referenzsignal;
das Ausgangssignal wird aus dem Verhältnissignal erzielt.

Description

REFERENZ ZU BEZUG GENOMMENEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der US-Provisional Patentanmeldung Seriennummer 60/669,478, angemeldet am 08. April 2005 mit ihrem gesamten Inhalt, welcher darin enthalten ist, hiermit als Offenbarung in Anspruch.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Signalkonditionierungssystem für einen induktiven Sensor, wie einen nicht-berührenden induktiven Sensor zur Messung der Position eines bewegbaren Bauteils, wie einer drehbaren Lage eines schwenkbaren Bauteils wie eines Fahrzeuggaspedals.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Positionssensoren werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt. Zum Beispiel sind motorisierte Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge ausgestattet mit einer nutzerbetätigten Kontrolle, die die Motorgeschwindigkeit kontrolliert. Typischerweise umfasst die nutzerbetätigte Kontrolle einen Pedalarm, der ein Fußpedal an einem unteren Ende des Pedalarms hat, typischerweise wird sich darauf als Beschleunigungspedal bezogen. Ein Beschleunigungspedal stellt ein Gaskontrollsignal zur Verfügung, das von dem Beschleunigungspedal zu einer Motorschubkontrolle übermittelt wird, die mit dem Motor verbunden ist. Konventionellerweise ist eine mechanische Verbindung zwischen Beschleunigungspedal und der Motorgaskontrolle vorhanden, und das Gaskontrollsignal ist ein mechanisches Signal. Jedoch gibt es einen momentanen Trend hin zu elektronisch kontrollierten Gaskontrollsystemen, manchmal als fly-by-wire-Systeme bezeichnet, in denen das Beschleunigungssignal oder eine andere nutzerbetätigte Kontrolle in elektrischer Verbindung mit der Motorschubkontrolle sind, das Schubkontrollsignal ist ein elektronisches Signal. In dieser und anderen Anwendungen wird oft erwartet, dass das Ausgangssignal eines jeden Sensorsystems gewisse Anforderungen erfüllt. Daher gibt es eine Nachfrage für einen Signalaufbereiter, der Signale von einem Positionssensor akzeptiert, so wie von einem induktiven Positionssensor, und ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, das gewünschte Eigenschaften hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein induktiver Positionssensor enthält eine Sendespule angetrieben durch eine AC-Quelle zur Produktion eines elektromagnetischen Trägerflux. Eine Empfängerspule empfängt den Trägerflux und generiert ein Empfängersignal. Das Empfängersignal variiert mit der Position eines Kupplungselementes (wie eines Rotors), unterstützt parallel zu und nahe benachbart zu der Sendespule und der Empfängerspule. Das Kupplungselement bewegt sich mit dem Bauteil, dessen Position zu bestimmen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält ein induktiver Positionssensor eine dritte Spule, eine Referenzspule, die ein Referenzsignal aufgrund des Trägerflux generiert, aber so gewickelt ist, um unempfindlich gegenüber der Position des Kupplungselementes zu sein, die zu messen ist. Für einen Drehsensor ist das Referenzsignal im Wesentlichen unempfindlich bei der abgewinkelten Orientierung des Kupplungselementes, aber verändert sich mit dem Spalt, der sich zwischen dem Kuppler und der Referenzspule erstreckt. Diese Änderung ist nützlich zur Kompensierung des Ausgangssignals für Variationen in Anordnungsparametern wie dem Spalt. Bevorzugt hat die Referenzspule eine Differenzialstruktur, so dass in der Abwesenheit des Kupplungselementes induzierte Spannungen in verschiedenen Abschnitten der Spule sich gegenseitig aufheben und das Referenzsignal nahe an Null ist. In gewissen Fällen ist das Referenzsignal nicht notwendigerweise Null, wenn der Kuppler zurückbewegt ist, um besser Variationen in dem Spalt zwischen den Spulen und dem Kupplungselement zu kompensieren. Die Spannungsspule kann auch eine Differenzialstruktur haben, so dass kein Empfangssignal in der Abwesenheit des Kupplungselementes vorhanden ist. Jedoch, wenn das Kupplungselement vorhanden ist, ist das Empfangssignal hochsensibel zu der Position des Kupplungselements.
Ein Signalaufbereiter für einen induktiven Positionssensor enthält eine analoge Teilungsstufe und Schaltkreis zum Addieren eines vorgespeicherten Werts zu dem Ausgangssignal, um es in Einklang mit einer benötigten Spezifikation zu bringen. Ein Komparatorschaltkreis vergleicht die Ausgangssignalspannung mit gespeicherten oberen und unteren Plateauwerten und gibt die Signalspannung aus, wenn diese zwischen den Plateauwerten ist, und die oberen und unteren Plateauwerte, wenn das Signal diese Werte erreicht.
Eine Vorrichtung, wie ein induktiver Kupplungspositionssensor, zum Zur-Verfügung-Stellen eines Ausgangssignals in Korrelation mit einer Bauteilposition für ein bewegliches Bauteil über einen Positionierungsbereich umfasst eine Sendespule, die ein elektromagnetisches Feld erzeugt, wenn diese durch ein Anregungssignal angeregt ist, und eine Empfangsspule, die benachbart zu der Sendespule angeordnet ist, die Empfangsspule generiert ein Empfangssignal, wenn die Sendespule durch eine induktive Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule angeregt ist, das Empfangssignal ist mit der Bauteilposition korreliert. Vorzugsweise stellt eine Referenzspule ein Referenzsignal im Wesentlichen unabhängig von der Bauteilposition zur Verfügung. Das Empfangssignal und das Referenzsignal werden weitergeleitet zu einem Signalaufbereiter, der einen analogen Teiler zum Generieren eines Verhältnissignals aus dem Empfangssignal und dem Referenzsignal enthält. Das Ausgangssignal wird von dem Verhältnissignal gewonnen und kann eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit von der Bauteilposition über den Lagebereich der Vorrichtung haben. Die Plateauspannungen (oder Klemmspannungen) wie auch die Verstärkungskurve (die Flanke der Signalkurve gegenüber (Winkel oder Distanz) kann durch trimmbare Widerstände festgesetzt werden.
Die Bauteilposition kann ein Rotationswinkel wie ein Drehwinkel einer Pedalanordnung zur Nutzung in einer kraftfahrzeugelektronischen Gas- bzw. Drosselanordnung sein. Ein Kupplungselement wird zum Modifizieren der induktiven Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule genutzt. Der Signalaufbereiter kann weiterhin eine Spannungsklemmung so aufweisen, dass das Ausgangssignal eine untere Plateauspannung und eine obere Plateauspannung hat. Der Signalaufbereiter kann weiterhin einen logischen Schaltkreis enthalten, zum Beispiel einen nicht-flüchtigen (Langzeit-)Speicher, wie eine Zener-Anordnung, zum Speichern einer Kalibrierungsanpassung. Die Kalibrierungsanpassung kann eine Spannungsanpassung addiert zu dem Ausgangssignal sein. Die Spannungsanpassung ist in einem permanenten Speicher gespeichert und ein virtueller Masse-Level-Anpasser wird in Verbindung mit dem permanenten, nicht-flüchtigen Speicher zum Anpassen des Ausgangssignals benutzt. Die Empfängerspule, die Referenzspule, die Senderspule und der Signalaufbereiter können alle durch eine einzelne gedruckte Schaltungsplatine getragen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Beschreibung verweist zu den anbei gefügten Zeichnungen, in denen:
1A ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Signalkonditionierungssystems ist;
1B ein vereinfachtes Schema einer Spulenanordnung ist;
2 ein Blockdiagramm eines analogen Signalaufbereiters ist;
3 ein Blockdiagramm eines Signalaufbereiters mit einem Analogteiler ist;
4 ein Blockdiagramm eines Signalaufbereiters mit Analogteiler und Logikschaltung ist;
5 ein Graph ist, der einen Offset einer Ausgangsspannung aufgrund einer Addition einer gespeicherten Spannung von einem statischen RAM darstellt;
6A und 6B schematische Diagramme der Schaltung zum Spannungsändern und Klemmen des Ausgangssignals sind, um dieses in Konformität mit gewünschten Eigenschaften zu bringen;
7 und 8 andere Konfigurationen von logischen Unterstützungen zeigen;
9 ein Schema für eine virtuelle Masse-Anpassung ist, die Zener-Schalter nutzt; und
10 eine höchst vereinfachte Layout-Darstellung eines elektronischen Moduls gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Signalaufbereiter gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung empfängt ein Empfängersignal und ein Referenzsignal und nutzt diese, um ein lineares Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, das proportional zu der Position des Bauteils ist, die gemessen werden soll. Für eine Kraftfahrzeuganwendung, so wie eine elektronisches Gasbetätigung (throttle), kann der Ausgang konform zu der Standardeinstellung für das Fahrzeug eingestellt sein, und ist im Wesentlichen nicht betroffen bei Produktionsabweichungen in dem Spalt zwischen dem Kopplungselement und der Spulenanordnung oder anderen gewöhnlichen Betriebssignalen. Es ist wünschenswert, dass der Signalaufbereiter so einfach wie möglich ist, um niedrig in den Kosten und höchst zuverlässig im Betrieb zu sein und die Nutzung von teuren Komponenten vermieden wird.
Ein Signalaufbereiter enthält vorzugsweise eine Anregungsquelle für die Sendespule, zum Beispiel einen Colpitts-Osziliator, für den die Sendespule die induktive Komponente ist. Der Signalaufbereiter empfängt zumindest ein Empfangssignal und ein Referenzsignal, und verstärkt jedes Signal. Die Signale können jeweils mit der Anregungsspannung multipliziert werden, um eine Signaldetektierung zu vereinfachen. Die Ausgänge von jedem der Multiplizierer sind dann low-pass-gefiltert und anschließend werden die beiden Ausgänge geteilt, um effektiv den Ausgang der Empfangsspule für die gewöhnlichen Betriebsvariationen, die durch die Referenzspule detektiert werden, zu korrigieren.
Das Referenzsignal wird genutzt, um das Empfangssignal für übliche Betriebseffekte zu korrigieren, wie Variationen in dem Spalt zwischen dem Kopplungselement und einer Spulenanordnung. Die Sendespule, Empfangsspule und Referenzspule können alle zu sammen als eine Spulenanordnung auf einem gemeinsamen Element getragen sein, so wie einer gedruckten Schaltkreisplatine. Die Schaltkreisplatine ist dann benachbart zu dem Kopplungselement angeordnet, welches mechanisch zu dem Bauteil gekoppelt ist, dessen Position zu bestimmen ist. Die Trennung zwischen der Spulenanordnung und dem Kopplungselement variiert inhärent während der Produktion dieser Trennung, und diese Trennung kann sofort durch eine Referenzspule korrigiert werden, die eine Differenzialstruktur hat. Die Referenzspule kann ebenso benutzt werden zur Korrektur von gewöhnlichen Betriebssignalen so wie Streuungen induzierende Spannungen, Temperatur und Sendeleistungsvariationen.
In einem rotierenden Positionssensor kann die Empfangsspule alternativ ein rotierender Modulator genannt werden, da das Empfangssignal mit rotierender Position des Kupplungselements variiert. Die Referenzspule, sofern sie eine Differenzstruktur hat, kann als axialer Modulator benannt werden, da dann das Referenzsignal mit der axialen Separierung der Spulenansammlung und des Kopplungselementes variiert, aber die Rotationsposition des Kupplungselementes nicht. Diese Spule kann alternativ als Anregungsspule benannt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Ausgänge der Empfangsspule und Referenzspule beide gleichgerichtet (verstärkt und dann detektiert) durch Multiplikation mit dem Referenzsignal, oder alternativ gerichtet unter Nutzung des Anregungssignals, zum Beispiel von dem Colpitts-Oszillator. Die detektierten Ausgänge werden jeder durch einen low-pass-Filter geführt und dann zu einem Analogteiler geleitet. Der Teiler korrigiert im Wesentlichen das Rotationsmodulatorsignal für Variationen in dem Spalt zwischen dem Rotor, welcher effektiv die Trägersignale zu dem Rotationsmodulator und dem Axialmodulator koppelt, und ist in paralleler Verbundenheit zu und in enger Nähe zu dem Träger abgestützt, das die anderen Spulen trägt. Variationen in dem Spalt zwischen dem Rotor und den Spulen, welche notwendigerweise in einem Produktionsprozess auftreten, werden durch den Analogteiler normalisiert, so wie da sind gewöhnliche Betriebsvariationen so wie zufällige induzierte Signale, Variationen in der Kraftversorgungsspannung und ähnliches.
Eine analoge Spannung kann dann zu dem Verhältnis-metrischen (ratio-metric) Signal addiert werden, um das Sensorausgangssignal in Konformität mit einer gewünschten Signalspezifikation zu bringen, zum Beispiel wie gefordert bei anderen Fahrzeugelektroniken im Falle eines elektronischen Gassensors. Diese Analogspannung ist während eines initiierenden Kalibrierungsprozesses erzeugt und kann in digitaler Form im Zenerdiodenbe reich (sich verhaltend als ein statischer RAM) oder einem normalen statischen RAM gespeichert werden, und kann in analoge Form zur Addition zu dem ursprünglichen Signal konvertiert werden. Das Ausgangssignal ist dann durch einen Differenzialverstärker angepasst durch Nutzung der gespeicherten Spannungsanpassung. Das Signal wird dann zu einer Spannungsklemmung weitergeführt, welche die oberen und unteren Grenzwerte des Signals durch Vergleichen des Signals mit gespeicherten Werten für die oberen und unteren Plateauwerte festlegt.
Der Ausgangsspannungsbereich kann auf diese Weise auf obere und untere Plateauwerte festgelegt werden. Ein Trimm wird genutzt, um die Verstärkungsflanke an einen gewünschten Wert anzupassen, dabei Trimmwiderstände nutzend. Eine Lasertrimmung von diesen Widerständen kann genutzt werden, zum Beispiel durch Wegbrennen von Karbonstreifen, oder herkömmliche drehbare Schleifbürsten-variable Widerstände können in einigen Anwendungen ebenfalls genutzt werden. In einer fahrzeugelektronischen Schubkontrollanwendung kann dieser Trimm einmal ausgeführt werden während der Fabrikkalibrierung. Dieses kann äußerst effektiv dort erfolgen, wo ein verhältnis-metrisches (ratiometric) Abtasten genutzt wird. Ein beispielhafter Kalibrierungsprozess enthält die Detektierung einer ersten Signalspannung, Konvertierung derselben in eine digitale Form unter Nutzung eines Analog-Digital-Konverters, und Konvertierung der Spannungen der oberen und unteren Plateauwerte, welche dann in einer Zenerdiodenanordnung (sich verhaltend wie ein statischer RAM) oder in einem normalen statischen RAM gespeichert sind. Ein Schaltkreis vergleicht dann die Differenz zwischen dem unteren Plateau und der ersten Signalspannung durch einen logischen Unterstützungsschaltkreis und speichert den Wert in dem statischen RAM. Während eines normalen Betriebs detektiert ein Multiplexer, der ein Paar an Vergleichern aufweist, die unverarbeitete Signalspannung und vergleicht diese mit den oberen und unteren Plateaus, so dass das Ausgangssignal entweder das unverarbeitete Signal enthält, das obere Plateau sich so erstreckt, dass das unverarbeitete Signal das obere Signal übersteigt oder das untere Plateau sich so erstreckt, dass das unverarbeitete Signal unterhalb des unteren Plateaus ist. Auf diese Weise ist das Ausgangssignal zwischen den oberen und unteren Plateauwerten eingespannt. Trimmfähige Widerstände können vorgesehen sein, um die Ausgangsverstärkung zu kontrollieren, und um obere und untere Plateauwerte zu definieren.
Ein Signalaufbereiter gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet auf diese Weise den Bedarf der Nutzung eines Mikroprozessors eines Typs, wie er in konventionellen Systemen eingesetzt ist. Zum Beispiel wird in konventionellen elektronischen Schubanwendungen ein Mikroprozessor zum Konvertieren des unverarbeiteten Signals in eines kompati bel mit dem Motorsystem genutzt. Der Mikroprozessor addiert Ausgaben, Komplexität und assoziierende Fehlerbetriebsweisen und Prozessorverzögerungen. Auf jeden Fall werden in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiger Analog-zu-Digital-Konverter (geringe Auflösung, so wie 8 bits oder weniger), und ein nicht-flüchtiger Speicher (so wie ein statischer RAM, in einigen Beispielen werden wenige bytes oder weniger benötigt) genutzt.
Der Signalaufbereiter kann in einen ASIC-Chip implementiert sein, ohne dass ein Prozessor, RAM, Analog-zu-Digital-(A/D)Konverter benötigt wird, oder eine Temperaturausgleichsschaltung. Zum Beispiel kann ein konventioneller Signalprozessor versuchen, zur Korrektur von Temperaturänderungen eine Wertetabelle zu nutzen (look-up table). Allerdings ist dieses komplex und anfällig für Fehler. Weiterhin versagen konventionelle Systeme unabhängig davon, wie gut sie ursprünglich kalibriert worden sind, bei der Berücksichtigung von geometrischen Änderungen aufgrund von mechanischem Verschleiß. Zum Beispiel ist Drehachsenungenauigkeit ein ernsthaftes Problem für konventionelle elektronische Schubanwendungen von induktiven Sensoren. Jedenfalls, Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung kompensieren automatisch geometrische Änderungen wie Drehungenauigkeit. Für eine elektronische Gaspedalanwendung wurde eine exzellente Signalreproduzierbarkeit bei Temperaturen über den Bereich von –40°C bis 80°C, Spaltvariationen (zwischen einer Spulenanordnung und einem Kupplungselement) von über 1 mm, und Drehabfalländerungen von über 1 mm erreicht. Für einige Anwendungen können eine Anzahl von unabhängigen Spulen und/oder zugeordneten Signalaufbereitern für einen Redundanz- und Sicherheitsbetrieb vorgesehen sein.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems aufweisend einen Oszillator 10, Sendespule 12, Kopplungselement 14 (nicht im Detail dargestellt), Empfangsspule 16 und Referenzspule 18. Für einen Rotationssensor stellt die Empfangsspule ein Empfangssignal zur Verfügung, das empfindlich zu der Winkelposition des Kopplungselements ist. Entsprechende Anordnungen sind beschrieben in größerer Genauigkeit in unseren ebenfalls anhängigen Anmeldungen. Die Referenzspule stellt ein Referenzsignal zur Verfügung, das im Wesentlichen nicht betroffen ist durch die Winkeländerung des Kopplungselements. Das Empfangssignal und das Referenzsignal werden verstärkt durch erste und zweite Verstärker (20 und 22) und das Empfangssignal wird dann durch das Referenzsignal geteilt im Analogteiler 24. Der Ausgang 26 ist ein Analogsignal. Der Signalaufbereiter akzeptiert zwei Signale (das Empfangssignal und das Referenzsignal) und teilt diese, um ein Verhältnis (oder verhältnis-metrisches) Signal zu erzielen. Dieses Verhältnissignal kann dann mit der Versorgungsspannung multipliziert sein, um ein Ausgangssignal zu erzielen, das unabhängig von der Versorgungsspannung ist. Das Empfangssignal ist proportional zu dem Winkel des Kopplungselementes über einen gewissen Winkelbereich, bestimmt durch die Spulenkonfiguration, während das Referenzsignal im Wesentlichen konstant über den Winkelweg des Kupplungselements ist. Jedenfalls sind gewöhnlicherweise beide Signale empfindlich gegenüber gewöhnlichen Betriebseffekten wie elektromagnetische Interferenz (EMI), Temperatur und (in manchen Konfigurationen) gegenüber mechanischen Toleranzen wie dem Spalt zwischen dem Kupplungselement und der Spulenanordnung. Signalbearbeitung durch einen analogen Schaltkreis zum Erzielen des Verhältnissignals vermeidet die Verzögerung einer digitalen Verarbeitung, die außerdem eine Analog-zu-Digital-Konversion benötigen würde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Empfangs- und Referenzspule durch gedruckte Schaltungstechniken auf dem gleichen Träger geformt, entsprechend mit der Sendespule. Die Sendespule wird durch einen Wechselstrom energetisiert und kann zum Beispiel Bestandteil eines Colpitts-Oszillator-Schaltkreises sein, der eine sinusoidale Spannung generiert, wobei der Schaltkreis als Bestandteil einer Signalaufbereitungsvorrichtung geformt sein kann.
Induktive Sensoren haben eine gute Immunität gegenüber statischen, elektrischen oder magnetischen Feldern, werden aber generell als verwundbar gegenüber dem Beating-Phänomen angesehen. Beating tritt auf zwischen ähnlichen Frequenzen, zum Beispiel zwischen den Sende- und Sensoroszillatorschaltkreisen, und resultiert in Summen und Differenzfrequenzen. Eine niedrige Frequenzdifferenz ist relativ schwierig herauszufiltern. Ein Ansatz ist, die natürliche Tendenz von zwei Oszillatoren zu nutzen, die gleiche Frequenz zu erzielen, ein adaptiver Mechanismus bekannt als Huygen's Uhrphänomen oder Lock-in-Synchronisation. Jedenfalls erfordert eine Adaption einer Resonanzfrequenz einen niedrigen Q-Faktor-Resonator. Beating ist ein gewöhnliches Betriebssignal für sowohl die Empfangs- als auch die Referenzspule und der verhältnis-metrische Ansatz der vorliegenden Erfindung macht es möglich, jede gewöhnliche Frequenzkomponente in den Empfangssignalen und Referenzsignalen herauszufakturieren. Auf diese Weise gibt es keinen oberen Grenzwert auf dem Oszillator Q-Faktor, dadurch wird die Effizienz verbessert und führt zu Systembetrieb bei niedrigem Rauschpegel. Der Q-Faktor kann ungefähr 30 oder höher sein, verglichen mit ungefähr 20 für konventionelle Systeme.
Der Systemaufbereiter ist rauscharm. Pures Analogverarbeiten kann genutzt werden, besonders reduzierend EMC im Vergleich zu digitaler Verarbeitung. Der induktive Sensor kann mit mindestens einem passiven parallelen Behälter vorgesehen werden, resonant bei Frequenzen innerhalb eines Bereichs eines jeden geeigneten Strahlungsimmunitätstests. Eine Beispielsensorspule hat eine Resonanzfrequenz zwischen 20 MHz und 200 MHz, während ein Strahlungsimmunitätstest von 150 K zu 1 GHz abtastet. Der Sensor kann in LPF gebildet sein und die Resonanzfrequenzen der Empfangs- und Referenzspule können übereinstimmen.
1B ist ein vereinfachtes Diagramm von einer beispielhaften Anordnung, aufweisend eine Sendespule (die äußeren Ringe 30), Empfangsspule 34 (eine überlappte, radähnliche Struktur, dargestellt bei 34), Referenzspule (äußerer Durchmesser, dargestellt bei 36) und ein Kopplungselement 32 (aufweisend drei elektrisch konduktive Platten, in dieser Darstellung angeordnet vor der Spurenanordnung). Rotation des Kopplungselements modifiziert die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und Lappen der Empfangsspule. Die Empfangsspule ist vorzugsweise konfiguriert, kein Signal in der Abwesenheit des Kopplungselements zu produzieren, aufgrund der Selbstauslöschung von verschiedenen induzierten Potentialen. Wie in mehr Details in unseren ebenfalls anhängigen Anmeldungen beschrieben, kann die Empfangsspule so konfiguriert sein, dass induzierte Potentiale in gegenüberliegenden Lappungen entgegengesetzt sind. In einem speziellen Beispiel weist die Empfangsspule erste und zweite Schleifenstrukturen (loop structures) so konfiguriert auf, dass sie tendieren, sich gegenseitig induzierte Potentiale auszulöschen. Jede Schleifenstruktur hat umfängliche Segmente an dem äußeren Durchmesser, die sich abwechseln mit umfänglichen Segmenten an dem inneren Durchmesser, die Struktur 34 dargestellt in 1B korrespondiert zu einer Überlagerung von zwei Schleifenstrukturen. Spulenverbindungen sind aus Klarheitsgründen nicht dargestellt. Hier, DDI ist der innere Durchmesser der Referenzspule (Differenzialdummy) und DEo ist der Außendurchmesser der Sendespule (oder Erregerspule).
2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm von einer vereinheitlichten Analogarchitektur. Das System umfasst eine Referenzspule 40 (in diesem Falle Differenzialdummy DD), die ein Referenzsignal zur Verfügung stellt, Empfangsspule 42, die ein Empfangssignal zur Verfügung stellt, Sendespule (oder Anreger) 46, energetisiert durch ein Anregungssignal, erste und zweite Verstärker 46 und 48, erste und zweite Multiplizierer 50 und 52, low-pass-Filter 54 und 56, Analogteiler 58, Signaldegenerator 59, rail-to-rail-Verstärker 60 und Spannungsklemme 62. Diese Komponenten mit Ausnahme der Spulen, können in einem analogen ASIC enthalten sein, dargestellt als Kasten 70. Externe Widerstände 64 und 66 werden genutzt, um die Verstärkung beziehungsweise die Klemmpunkte zu justieren, und das Ausgangssignal wird an 68 erzielt. Das Ausgangssignal ist mit der Position eines beweglichen Bauteils korreliert, so dass der Signalaufbereiter als ein Bauteilpositi onssensor (PPS) funktioniert. Eine spezifische Anwendung ist ein Pedalpositionssensor für ein Fahrzeug. Im Betrieb ist das Referenzsignal verstärkt durch den ersten Verstärker, multipliziert durch das Anregungssignal und low-pass-gefiltert. Das Empfängersignal ist verstärkt durch den zweiten Verstärker, ebenfalls multipliziert durch das Anregungssignal und low-pass-gefiltert. Der Teiler 58 erhält das verstärkte, multipliziert und gefilterte Signal und gibt ein verhältnis-metrisches Signal. Das verhältnis-metrische Signal ist durchgeführt durch (optional) einen Signaldegenerator 59, welcher das Verhältnissignal mit der Versorgungsspannung multipliziert. Das verhältnis-metrische Signal ("ratio-metric") wird dann durch den Verstärker 16 geführt, und externe Widerstände 60 sind angepasst für die gewünschte Verstärkung. Das verhältnis-metrische Signal geht dann durch die Spannungsklemmung 62 hindurch, welche das Ausgangssignal davon abhält, über einen oberen Plateauwert zu gehen oder unterhalb eines unteren Plateauwertes zu fallen. Die Plateauwerte können durch Widerstandspaare 66 dargestellt werden. In diesem Beispiel ist der analoge Schaltkreis in einem analogen ASIC (70) enthalten, und die Widerstände 64 und 66 sind extern zu dem ASIC, so dass Einstellungen der Verstärkung und Plateauspannungen einfach erreicht werden können. Der Signaldegenerator ist optional und war enthalten, um die Versorgungsspannung zu verfolgen. Dieses führt ein Ausgangssignal abhängig von der Versorgungsspannung, erlaubt aber die Führung der Versorgungsspannung, sofern notwendig.
Die Wellenformen, dargestellt zwischen dem low-pass-Filter und dem Teiler, sind mögliche positionsabhängige Signale von dem Empfänger und den Empfängerspulen. Das Empfängersignal hat typischerweise einen vernünftigen linearen Anteil. Die Klemmpunkteinstellungen (clamping point settings) klammern vorzugsweise einen linearen Bereich des Empfängerbereichs ein. Das Empfängersignal ist im Wesentlichen unabhängig von der Position. Das Verhältnissignal ist manchmal bezeichnet als charakteristische Kurve (Ccurve).
Für einige Anwendungen wird ein Ausgang, unabhängig von den Spannungsversorgungsvariationen, benötigt und der Signaldegenerator 59 wird benutzt. Der Signaldegenerator kann ein Analogteiler, Multiplizierer, Analogschalter oder ein anderes Gerät sein. Zum Beispiel wird ein Verhältnissignal unabhängig von der Versorgungsspannung erzielt durch Teilung des Signals an dem Analogteiler durch die Versorgungsspannung.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung, enthaltend drei Spulen (40, 42, 44) und den Schaltkreis 70, wie oben in Bezug auf 2 beschrieben. In dieser Ausgestaltung ist das Verhältnissignal von dem Analog-ASIC 70 durchgeführt zu dem digitalen Schaltkreis 72, welcher als digitaler ASIC implementiert sein kann. Der digitale Schaltkreis 72 enthält einen Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 74 und Prozessor 76. Für eine elektronische Schub(throttle)anwendung benötigt der ADC nur 8 bits, wenn Verstärkeranpassung durch den analogen Schaltkreis ausgeführt wird. Der Prozessor 76 wird zur Eliminierung von Bauteil-zu-Bauteil-Variationen und für ein PWM-Management genutzt. In diesem Beispiel ersetzt die Spannungsklemme die digitale Verarbeitung.
4A zeigt ein Blockdiagramm für einen Signalaufbereiter mit minimal logischer Unterstützung. Die analoge ASCI (100) ist ähnlich zu der in Bezug auf 2 beschriebenen, und der analoge Teilungsprozess wird nicht noch nochmals im Detail hier beschreiben. Wie in Bezug auf 2 diskutiert, ist der Ausgang des Analogteilers durch den Signaldegenerator durchgeführt, welcher das Verhältnissignal mit der Versorgungsspannung multipliziert, um den Effekt von Versorgungsspannungsänderungen auf das Verhältnissignal zu entfernen.
In diesem Beispiel ist das Verhältnissignal zu einem logischen Unterstützungsschaltkreis 12 geführt, aufweisend den Analog-zu-Digital-Konverter 102, den statischen RAM 103 und den Multiplexer 110. Für eine elektronische Schubanwendung kann der ADC (102) sechs bits sein. Gegebenenfalls können andere Auflösungen ebenfalls genutzt werden. Der Analog-zu-Digital-Konverter erhält eine Spannung, die in dem statischen RAM (103) gespeichert ist, und diese gespeicherte Spannung ist zu dem Ausgang des Analogteilers (das Verhältnissignal) addiert. Die untere Plateauspannung, gespeichert in dem statischen RAM, ist während eines Kalibrierungsprozesses entwickelt, welcher näher in Einzelheiten unten beschrieben ist, um das Ausgangssignal in eine gewünschte Form zu bringen. Im Falle eines elektronischen Schubes wird die gespeicherte untere Plateauspannung in dem statischen RAM genutzt, das Ausgangsignal in die benötigte Form durch nachfolgende Fahrzeugelektroniken anzupassen. Ein byte in dem statischen RAM kann für das anfängliche Signal reserviert sein, gemessen an der nominalen Nullposition vor der Einstellung.
Das spannungsversetzte Verhältnissignal wird dann durch den rail-to-rail-Verstärker 104 geführt, welcher seine Eingänge durch einen Spannungsteiler eingestellt hat, der ein Paar an variablen Widerständen nutzt, welche während der Kalibrierung eingestellt und betrieben werden zum Ausbau der oberen und unteren Plateauwerte des Signals. Die Spannungsklemme 106 (voltage clamp) vergleicht das unverzügliche Signal zwischen den oberen und unteren Plateauwerten, und wenn das Signal über den oberen Plateauwert geht, schaltet der Schalter 108, verbunden zum Multiplex 110, auf die gespeicherte Plateau spannung als das Ausgangssignal. Gleicherweise, wenn die Sensorspannung unterhalb des unteren Plateaus abfällt, gibt der Signalaufbereiter die untere Plateauspannung aus. Anderenfalls ist das Ausgangssignal mit dem Verhältnissignal korreliert. Spannungen, gespeichert in dem statischen RAM werden während eines Kalibrierungsprozesses entwickelt, welcher ein Detektieren der anfänglichen Signalspannung und dann eine Konvertierung desselben in digitale Form in dem Analog-zu-Digital-Konverter beinhaltet. Ebenso werden die oberen und unteren Plateauspannungen in digitale Form konvertiert durch den Analog-zu-Digital-Konverter und in dem statischen RAM gespeichert. Danach wird die Differenz zwischen dem unteren Plateauwert und der anfänglichen Signalspannung verglichen und in eine analoge Spannung konvertiert. Diese analoge Spannung ist so gespeichert, dass sie zu dem Sensorsignal durch den rail-to-rail-Verstärker addiert werden kann.
Der anfängliche Wert und untere Plateaudetektierungsschaltkreis muss nicht Bestandteil der Signalaufbereitungselektroniken sein, kann aber Bestandteil des Installationsequipments sein, das bei der Initialisierung genutzt wird. In gleicher Weise kann ein externer Analog-zu-Digital-/Digital-Analog-Konverter Bestandteil des Installationsequipments sein und nicht mit dem Fahrzeug mitreisen.
4B zeigt ein anderes Blockdiagramm für einen Signalaufbereiter mit minimaler logischer Unterstützung. In dieser Ausgestaltung weist der logische Unterstützungsschaltkreis 114 einen Zener-Bereich auf, um das Verhältnissignal abstimmen zu können, einen Multiplexer 118 und einen Seriell-zu-Parallel-Konverter (120) zur Kalibrierung.
Die Nutzung eines Seriell-zu-Parallel-Konverters erlaubt Kalibrierungsdaten einzuführen durch einen einzelnen Pin (122). Andere Datenspeicheransätze können anstatt des Zener-Bereichs genutzt werden, um die virtuelle Masse zu justieren. Ein separater logischer Unterstützungsschaltkreis kann mit einem analogen Schaltkreis (sowie einem analogen ASIC) für eine Signalkonditionierung genutzt werden. Jedoch logische Schaltkreise wie ein Serieller-zu-Paralleler-Konverter und ein Zener-Bereich können mit dem analogen Schaltkreis als Einzel-ASIC kombiniert werden.
5 ist eine graphische Illustrierung einer anfänglichen Ausgangsspannung (bezeichnet mit I) und der geänderten (oder justierten) Ausgangsspannung (bezeichnet mit S), als eine Funktion der Position. In diesem Beispiel ist das geänderte Signal größer als das anfängliche Ausgangssignal, aufgrund einer Addition der gespeicherten Spannung. Die gespeicherte Spannung erhöht die Ausgangsspannung, so dass der Schnittpunkt der Ausgangsspannung und des unteren Plateauwertes an einer gewünschten Position ist. Für eine elektronische Schubanwendung kann dieser Schnittpunkt nach einem kleinen Bruchteil eines Pedalweges auftreten. Wenn das Schubpedal gedrückt wird, verbleibt der Ausgang des Signalkonditionierers auf der unteren Plateauspannung für einen geringen Anteil des Pedalweges, genannte das Leerlaufplateau, und dann steigt die Ausgangsspannung linear mit dem Pedaldrehwinkel, bis die Ausgangsspannung die obere Plateauspannung erreicht. Die Ausgangsspannung ist dann zu der oberen Plateauspannung geklemmt und kann nicht diesen Wert übersteigen, egal welches Verhältnissignal durch eine Analogteilung generiert wird.
Auf diese Weise wird eine gespeicherte konstante Spannung zu der Ausgangsspannung addiert, um eine gewünschte Schleifenposition zu erzielen, und dieses stellt die Leerlaufplateaulänge ebenfalls ein. Die Leerlaufposition kann eingestellt werden, korrespondierend zu einer Einstellung der unteren Plateauspannung, dabei nutzend eine virtuelle Masseanpassung. Zum Beispiel kann die virtuelle Masse ungefähr 2,5 V in Relation zu der Chassismasse für einen ungefähren 0–5 V Ausgangsspannungsbereich sein. Eine Kalibrierung kann durch Nutzung schaltbarer Widerstände innerhalb eines ASIC auf der Schaltplatine erzielt werden und braucht nur einmal während der anfänglichen Konstruktion des Sensors ausgeführt zu werden.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines logischen Schaltkreises zur Veränderung und Festklemmung des Ausgangssignals. Die Fig. zeigt Widerstandspaare für die Anpassung der Klemmpaare, dargestellt in Box 140, erste und zweite Komparatoren (142 und 144), welche das Vergleichssignal von dem Analogteiler erhalten, den ADC und den statischen RAM (wie oben in Bezug auf 5 beschrieben), einen Umschaltschaltkreis 146 und einen addierenden Verstärker 148 (ein Analogaddierer). Der zweite Eingang zu jedem Komparator weist einen Spannungsteiler enthaltend ein Widerstandspaar mit einem variablen Widerstand, der während der Kalibrierung angepasst ist, auf. Der statische RAM speichert einen Byte für das untere Plateausignal und einen Byte für das anfängliche Signal. Diese Werte werden addiert zum anfänglichen Signal, um das Ausgangssignal für den Schaltkreis zu entwickeln. Die Referenzspannung des Analog-zu-Digital-Konverters und die untere Plateauspannung sind bekannt und können vorprogrammiert sein, das heißt fest verdrahtet innerhalb des Schaltkreises. Nur der anfängliche Signalwert benötigt zu dem statischen RAM festgesetzt zu werden. Ein logischer Unterstützungsschaltkreis, sowie eine elektronische Vorrichtung, die einen Prozessor hat, wird genutzt, um die Differenz zwischen der unteren Plateauspannung und der anfänglichen Signalspannung zu vergleichen (zum Beispiel für keine Pedalbewegung, oder mit dem Kupplungselement zurückbewegt). Die Differenzspannung, berechnet als ein digitaler Wert, ist in eine analoge Spannung konvertiert und zu der Signalspannung hinzu addiert, dabei einen addierenden Verstärker nutzend.
Der logische Ablauf, der während des Betriebs ausgeführt wird, ist in Bezug auf 6 wie folgt. Wenn der erste Komparator (142) aus ist und der zweite Komparator (144) an ist, folgt das Verhältnissignal der Ausgangsspannung, das heißt die anfängliche Signalspannung wird als Ausgang genutzt. Sind beide Komparatoren an, wird die untere Plateauspannung als Ausgang benutzt. Wenn der zweite Komparator an ist, und der erste Komparator ist sonderbar, wird die oberen Plateauspannung als der Ausgang genommen. Andere logische Fälle können einen Fehlercode generieren. In einer Kraftfahrzeuganwendung können Fehlercodes auslösen, dass ein Fahrzeug in einen Notlaufbetrieb eintritt.
7 zeigt eine andere Ausgestaltung mit logischer Unterstützung. Das System umfasst Spulen 40, 42 und 44, einen analogen ASIC 70 (dieses Schema zeigt den Colpitts-Oszillator für die Sendespule, und seine Funktion ist oben näher in Bezug auf 2 beschrieben). Das System enthält weiterhin einen logischen Unterstützungsschaltkreis 162 mit einem statischen RAM 164 und einem Multiplexer 166, und einen Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 160. Für einen elektronischen Schub hat diese Ausgestaltung der ADV vorzugsweise eine 10-bit-Auflösung. Der logische Unterstützungsschaltkreis kann genutzt werden, ein oder mehrere der nachfolgenden Parameter zu bestimmen: Die Plateauspannungen, die gespeicherte Spannung und die Ausgangsspannung anzupassen, und die Verstärkungsschleife. Die logische Unterstützung muss nicht eine vollständige CPU-Konfiguration sein, so dass Register und Buscontroller nicht benötigt werden. In dieser Ausgestaltung werden der rail-to-rail-Verstärker 60 und die Spannungsklemme 62 in der analogen ASIC nicht genutzt und das Ausgangssignal wird an 168 gewonnen.
8 zeigt eine weitere Signalaufbereitungskonfiguration mit logischer Unterstützung. Die Fig. zeigt eine Spulenanordnung 180 (enthaltend Referenzspule, Empfangsspule und Sendespule) und einen Signalaufbereiter 182, der einen phasenempfindlichen Gleichrichter für die Referenzspule 184 aufweist, einen phasenempfindlichen Gleichrichter für die Empfangsspule 186, einen Analogteiler 188, einen Analogmultiplizierer 190, einen Oszillator 192, eine Spannungsklemmung 194, eine virtuelle Massenhöheanpassung 196, einen logischen Schaltkreis 198, einen Seriellen-zu-Parallelen-Konverter 200. Externes Equipment 202 wird zur Kalibrierung genutzt, enthaltend einen externen ADC/DAC 204 und einen Spannungshöhendetektor 205. Der anfängliche Wert und untere Plateauwerte werden von dem externen Equipment erzielt, in dem logischen Schaltkreis 198 gespeichert, und genutzt zum Anpassen der virtuellen Masse und dadurch der Ausgangssignalhöhe. Widerstände 208 werden getrimmt, um die Klemme und die oberen Plateauhöhen festzusetzen. Das Ausgangssignal wird durch die Last 210 aufgebracht.
9 ist ein Schema für eine virtuelle Masse-Anpassung unter Nutzung von Zener-Schaltungen, welche eine kontrollierbare Spannungsquelle produzieren. Der Schaltkreis enthält eine Anordnung von Zener-Schaltungen (Zener-Anordnung) sowie 220. Zener Zapping wird genutzt, um die Ausgangsspannung des Endverstärkers 222 zu kontrollieren, und dieser Ausgang 224 wird genutzt als eine einstellbare virtuelle Masse. Die Zener-Anordnung agiert als ein statischer RAM und die Zener-Anordnung ist ein bevorzugter Datenspeicherschaltkreis für logische Unterstützungen. Andere Datenspeicherschaltkreise können auch benutzt werden. Speicherung von Kalibrierungsdaten ist vorzugsweise Datenspeicherung permanent. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können auch für Mehrwindungs-Sensoren (multi-turn sensors)genutzt werden, in denen eine Zener-Anordnung sinnvoll zur Speicherung von Einmal-Kalibrierungsdaten ist, und eine temporäre Datenspeicherung für eine Zwischenspeicherung genutzt ist, zum Beispiel um eine Anzahl von Drehungen zu überwachen sowie eine Zähllogik oder ein standardisierter statischer RAM. Spannungsanpassungen sowie Addierung kann durch Nutzung von standardanalogen Schaltkreisen sowie einem Operationsverstärkerschaltkreis erzielt werden.
10 zeigt ein sehr vereinfachtes Layout eines elektrischen Moduls gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Ein gemeinsamer Träger 214, in diesem Falle eine bedruckte Schaltkreisplatine, hat die Sende-, die Empfänger- und die Referenzspulen auf sich gedruckt, um den Spulenkörper 242 zu formen. Das elektronische Modul 244 sowie ein Signalaufbereiter gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf dem Träger unterstützt zusammen mit externen trimmfähigen Widerständen (246) und einem Colpitts-Kondensator (250). Ausgang ist durch Verbindungen 248. Ein zweiter Signalaufbereiter 252 ist zur Redundanz vorgesehen, und wenn der Ausgang von beiden Signalaufbereitern nicht übereinstimmt, wird ein Fehlerzustand eingestellt. Für eine elektronischen Gasbetätigung kann ein Fahrzeug einen Notlaufbetrieb eingehen oder die niedrigere Beschleunigungsvoreinstellung wird genutzt.
Weitere Aspekte der Signalaufbereitung
Die Ausgangsspannung muss nicht vollständig linear abhängig von der Position sein. Ein nutzbarer Bereich an Linearität kann definiert werden, extrapoliert zu der virtuellen Masse, welche eine negative Spannung relativ zu der wahren Masse sein kann. Das Verhältnis signal kann als das Verhältnis von (Empfängersignal + A)/(Referenzsignal + B) bestimmt werden, wobei das Referenzsignal und das Empfängersignal sich auf die DC-Spannungen beziehen, die beispielsweise durch Demodulierung und low-pass-Filterung der Empfänger- und Referenzsignale jeweils erzielt werden. A und B beziehen sich auf virtuelle Masse-Korrekturen aufgrund einer angenommenen Linearität über eine leicht nicht lineare Antwort. Die Breite des nutzbaren linearen Bereichs kann durch genaue Spezifizierung bestimmt werden. Die Korrekturterme A und B sind wahrscheinlich sehr ähnlich und der gleiche Wert kann sowohl für A als auch für B genutzt werden.
In Beispielen der vorliegenden Erfindung sind getrimmte Widerstände zur Verfügung gestellt, die Ausgangsverstärkung kontrollierende Widerstände enthalten und untere/obere plateaudefinierende Widerstandspaare, die so getrimmt werden könnten, um dem induktiven Sensor einen gewünschten Ausgangsspannungsbereich zu geben, zum Beispiel eine Spannung, die im Wesentlichen linear mit dem Rotationswinkel variiert, wenn das Kopplungselement sich dreht.
Eine Signalaufbereitung kann Modulations- und Demodulationsschritte enthalten. In einem Modulationsschritt wird das Signal, das mit dem Rotationswinkel des Kopplungselements korreliert, durch ein Anregungssignal multipliziert, und eine Demodulation enthält die Nutzung eines phasenempfindlichen Gleichrichters für das modulierte Signal. Die Nutzung eines phasenempfindlichen Schaltkreises kann den linearen Bereich des gemessenen Winkels verdoppeln. Ebenso ratiometrische Positionssensormittel, die das demodulierte Signal in derartiger Weise herstellen, dass das Ausgangssignal weit weniger abhängig von der Erregerspannung ist.
Beispiele der vorliegenden Erfindung benötigen keine Temperaturkalibrierungsdaten im Speicher gespeichert, da der übliche Betriebsfaktor durch Nutzung einer Referenzspule und verhältnismetrischer Abtastung kompensiert werden kann.
Die Ausgangsspannungsbereiche können an obere und untere Plateauwerte geklemmt werden. Ein Trimm wird genutzt, um die Verstärkungsschleife zu einem gewünschten Wert einzustellen, nutzend Trimmwiderstände. Lasertrimmen von Widerständen kann genutzt werden zum Beispiel durch Wegbrennen von Karbonstreifen oder herkömmlicher drehender Streifbürsten-variable Widerstände können ebenfalls in einigen Anwendungen genutzt werden. In einer fahrzeugelektronischen Schubkontrollanwendung kann dieser Abgleichschritt einmal ausgeführt werden während der Fabrikeinstellungen. Andere Anwendungen von induktiven Positionssensoren enthalten eine elektronische Schub bzw. Drosselkontrolle, Saugleitungsventil, Bremskontrolle, Lenkung, Treibstofftankhöhenermittlung und Getriebewellenwähler.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Bauteilposition eines beweglichen Bauteils umfasst Anregung einer Sendespule, nutzend einen Wechselstrom; Gewinnung eines Empfangssignals empfindlich zu einer Bauteilposition mittels einer Empfangsspule, Gewinnung eines Referenzsignals im Wesentlichen unabhängig von der Bauteilposition; Analogteilung des Empfangssignals durch das Referenzsignals zum Erzielen eines Verhältnissignals; Addierung einer Spannungsanpassung zu dem Verhältnissignal zum Gewinnen eines Ausgangssignals; und Klemmen des Ausgangssignals zwischen oberen und unteren Plateauwerten, die Bauteilposition wird von dem Ausgangssignal bestimmt.
Beispiele der vorliegenden Erfindung können auch multi-turn-(Mehr-Windung-)Sensoren enthalten, näher beschrieben in unseren ebenfalls anhängigen Anmeldungen. Ein multiturn-Sensor kann eine Vielzahl an Empfängerspulen enthalten, zum Beispiel nutzend Multipolspulen mit einem abgewinkelten Versatz zueinander. Zum Beispiel können zwei Empfängerspulen genutzt werden, die außerphasige Empfängersignale zur Verfügung stellen, nachdem sie individuelle Positionsbereiche gehabt haben. Sensoren können ein elektronisches Modul enthalten, das ein ASIC-Modul zur Signalkonditionierung hat. Das elektronische Modul kann eine gedruckte Schaltungsplatine enthalten, die Spulen trägt sowie eine Referenzspule, Empfängerspule und eine Sendespule, welche ein elektromagnetisches Feld bei Anregung durch eine Wechselstromquelle erzeugt. Für mulit-turn-Abtastung kann die virtuelle Masse angepasst werden mit einer Anzahl von Windungen (oder mehrfachen von einigen Rotationswinkeln), während die Umdrehungsgeschichte des Sensors durch einen logischen Stapelspeicher gemanagt ist. Die Entscheidung, welches Empfangssignal zu nutzen ist, ist durch einen logischen Schaltkreis entschieden. Eine aus einer Vielzahl von Empfangsspulen ist ausgewählt, durch Nutzung eines Multiplexers, wenn eine vorbestimmte Signalspannung erreicht ist. Multi-turn-Sensoren können für Geschwindigkeitsbestimmungen, Distanzmessungen und ähnliches genutzt werden.
Zum Beispiel kann der gewinkelte Bereich einer einzelnen Empfängerspule ungefähr 40 Grad bei Nutzung eines dreipoligen Kupplungselements sein. Der virtuelle Masse-Level kann entsprechend zu der Anzahl von Vielfachen dieses Winkelbereichs festgesetzt werden. Der Winkelbereich des Sensorsystems kann 120 Grad sein bei Nutzung von drei Empfängerspulen und einem Segmentmanagement. Der Rotationsablauf kann in einem Speicher gespeichert sein, zum Beispiel einen Registerbetrieb nutzend mit einer verlink ten Datenstrukturliste. Ein virtueller Masse-Anpasser kann genutzt werden, der ähnlich zu demjenigen ist, der zur Anpassung der Plateauspannung genutzt wird.
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Signalaufbereitungssystem zur Nutzung mit einem nicht-berührenden induktiven Sensor zur Messung der Position eines bewegbaren Bauelements sowie einem drehbaren Schubpedal in einer Kraftfahrzeuganwendung, und zur Generierung eines elektrischen Signals, welches direkt proportional zu der Position des Bauteils zur Kontrolle des Fahrzeugs ist, und noch spezieller bei einem Signalaufbereitungssystem, welches mit einem induktiven Sensor betrieben wird. Der induktive Sensor hat bevorzugt zumindest drei Wicklungen, aufweisend eine Sendespule zur Generierung eines Trägersignals, eine Empfängerspule zur Detektierung des Trägersignals, so wie es moduliert wird durch ein Kupplungselement verknüpft mit dem Bauteil, dessen Position zu messen ist, und eine Referenzspule, welche das Trägersignal erhält, aber in einer derartigen Weise gewunden ist, dass es nicht gestört wird durch die Position des Rotors, so dass ein Signal erzeugt wird, welches genutzt werden kann, das rotierende Modulationssignal für Variationen im Spalt zwischen dem Rotor und den drei Wicklungen wie auch andere übliche Betriebssignale wie Energieversorungsfluktuationen, zu korrigieren. Patente, Patentanmeldungen oder Veröffentlichungen, die in dieser Beschreibung erwähnt werden, sind hiermit vollumfänglich im gleichen Umfang aufgenommen, als wäre jedes individuelle Dokument speziell und individuell angezeigt als zur Offenbarung mit aufgenommen. Insbesondere US-Provisional Patentanmeldung Seriennummer 60/669,145, angemeldet am 07. April 2005, ist hiermit in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
Die Erfindung ist nicht auf die beispielhaften oben angegebenen Beispiele beschränkt. Beispiele sind nicht als Limitierungen des Schutzbereichs der Erfindung zu verstehen. Verfahren, Vorrichtungen, Zusammensetzungen und dergleichen, die hier beschrieben sind, sind exemplarisch und dienen nicht zur Limitierung der Offenbarung der Erfindung. Änderungen hieran und andere Anwendungen werden demjenigen, der Fachmann ist, einfallen. Der Schutzbereich der Erfindung ist definiert durch den Schutzbereich der Ansprüche.
Zusammenfassung
Ein Signalkonditionierer für einen induktiven Positionssensor enthält eine analoge Teilungsstufe und Schaltung zur Addierung eines vorgespeicherten Wertes zu einem Ausgangssignal, um dieses in Übereinstimmung mit einer benötigten Anforderung zu bringen. Ein Komparatorschaltkreis vergleicht die Ausgangs-Signalspannung mit gespeicherten oberen und unteren Plateauwerten und produziert das Spannungssignal, wenn es zwischen den Plateauwerten ist und gibt die oberen und unteren Plateauwerte aus, wenn die Signale diese Werte erreichen.

Claims

Auf diese Weise unsere Erfindung offenbart, beanspruchen wir: Eine Vorrichtung zur Verfügung Stellung eines Auslasssignals korrelierend mit einer Beuteilposition für ein bewegbares Bauteil über einen Lagebereich, die Vorrichtung weist auf: eine Sendespule, die Sendespule produziert ein elektromagnetisches Feld, wenn diese durch ein Anregungssignal angeregt wird; eine Empfangsspule benachbart zu der Sendespule angeordnet, die Empfangsspule generiert ein Empfangssignal, wenn die Sendespule angeregt ist aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule, das Empfangssignal ist empfindlich auf die Bauteilposition; eine Referenzspule, die ein Referenzsignal im Wesentlichen unabhängig von der Bauteilposition zur Verfügung stellt; einen Signalaufbereiter, der das Empfangssignal und das Referenzsignal erhält, der Signalaufbereiter enthält einen Analogteiler und generiert ein Verhältnissignal aus dem Empfangssignal und dem Referenzsignal; das Ausgangssignal wird aus dem Verhältnissignal erzielt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnissignal eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit von der Bauteilposition über den Lagebereich hat.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Bauteilposition ein Rotationswinkel ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein Kopplungselement, das eine Kopplungselementposition korreliert mit der Bauteilposition hat, die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ist empfindlich auf die Kopplungselementposition.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, der Signalaufbereiter enthält weiterhin eine Spannungsklemmung, das Auslasssignal hat eine untere Plateauspannung und eine obere Plateauspannung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Plateauspannungen und die Verstärkungskurve durch trimmbare Widerstände eingestellt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, der Signalaufbereiter enthält weiterhin einen Langzeitspeicher, der Langzeitspeicher speichert eine Spannungsanpassung, das Auslasssignal wird erzielt aus dem Verhältnissignal und der Spannungsanpassung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Spannungsanpassung in den Langzeitspeicher während eines Kalibrierungsprozesses eingegeben ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Langzeitspeicher eine Schaltanordnung ist, die Zenerdioden enthält.
Eine Vorrichtung zum zur Verfügung Stellung eines Ausgangsignals, korreliert mit einer Bauteilposition für ein bewegbares Bauteil über einen Positionierungsbereich, die Vorrichtung weist einen Signalaufbereiter auf, der ein Empfangssignal empfindlich zu einer Bauteilposition und ein Referenzsignal im Wesentlichen unempfindlich zu der Bauteilposition empfängt, das Empfangssignal wird erzielt von einer Empfangsspule und das Referenzsignal wird durch Anregung einer Sendespule von einer Referenzspule erzielt, der Signalaufbereiter enthält einen Analogteiler zum Generieren eines Verhältnissignals aus dem Empfangssignal und dem Referenzsignal, der Signalaufbereiter stellt ein Ausgangssignal zur Verfügung, das mit der Bauteilposition korreliert ist, das Ausgangssignal wird aus dem Verhältnissignal gewonnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, der Signalaufbereiter enthält weiterhin einen Oszillator, das Empfangssignal und das Referenzsignal werden gewonnen durch Anregung der Sendespule durch den Oszillator.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, der Signalaufbereiter enthält weiterhin einen Schaltkreis zum Multiplizieren eines Ausgangs von dem Analogteiler mit einem Spannungsversorgungssignal.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Signalaufbereiter weiterhin einen virtuelle Masse-Level-Einsteller aufweist, das Ausgangssignal enthält eine Spannungsanpassung, kontrolliert durch den virtuellen Masse-Level-Einsteller.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Spannungsanpassung in einem permanenten Speicher gespeichert ist, der virtuelle Masse-Level-Einsteller ist in Verbindung mit dem permanenten Speicher.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei der permanente, nicht-flüchtige Speicher einer Zener-Anordnung ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Empfangsspule, die Referenzspule, die Sendespule und der Signalaufbereiter durch eine einzelne gedruckte Schaltkarte getragen werden.
Verfahren zur Bestimmung der Bauteilposition eines beweglichen Bauteils, das Verfahren umfasst: Anregung einer Sendespule unter Nutzung eines Wechselstroms; Gewinnung eines Empfangssignals von einer Empfangsspule, das Empfangssignal ist empfindlich in Bezug zu einer Bauteilposition; Gewinnung eines Referenzsignals im Wesentlichen unabhängig von der Bauteilposition; Teilung des Empfangssignals durch das Referenzsignal in einem Analogteilungsschaltkreis zum zur Verfügung Stellung eines Verhältnissignals; Addieren einer Spannungsanpassung zu dem Verhältnissignal zum Gewinnen eines Ausgangssignals; Einspannen des Ausgangssignals zwischen oberen und untern Plateaulevels; und Bestimmung der Bauteilposition unter Nutzung des Ausgangssignals.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die Spannungsanpassung zu dem Verhältnisschaltkreis durch einen Analogaddierer hinzugefügt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, die Spannungsanpassung wird in einem permanenten, nicht-flüchtigen Speicher gespeichert.