DE19539458A1 - Sensor mit Testeingang - Google Patents
Sensor mit TesteingangInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor mit Testeingang, insbe
sondere einen Hallsensor bzw. einen Hallschalter nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
Es sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen Hallsen
soren bzw. Hallschalter eingesetzt werden, insbesondere im
Zusammenhang mit Systemen, bei denen eine Winkelstellung
oder die Lage eines Bauteils ermittelt werden soll.
Üblicherweise umfaßt ein Hallsensor das eigentliche Hall
element, das zusammen mit einer Auswerteschaltung auf einem
Chip integriert ist. Das Hallelement selbst umfaßt dabei
eine Brückenschaltung, deren eine Diagonale zwischen Versor
gungsspannung und Masse liegt, während an der anderen Diago
nale die Meßspannung abgegriffen wird.
Mit Hilfe eines solchen Hallsensors kann beispielsweise der
Lenkwinkel eines Fahrzeuges ermittelt werden. In der inter
nationalen Patentanmeldung PCT/DE 95/00343 wird ein solcher
Sensor zur Erfassung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges
beschrieben, bei dem als eigentlicher Sensor bzw. als
Sensorelemente eine Anzahl von Hallsensoren verwendet
werden. Das System besteht dabei aus einer Scheibe, die an
ihrem Umfang innerhalb einer Spur Aussparungen aufweist.
Diese Scheibe wird mit Hilfe mehrerer, in gleichmäßigen
Winkelabständen angeordneter Hallsensoren abgetastet, im
Zusammenwirken von Scheibe und Sensoren entsteht ein Code,
der eine Absolutwerterkennung innerhalb einer Lenkradumdre
hung ermöglicht. Die Scheibe besteht dabei beispielsweise
aus magnetisch gut leitendem Blech und ist fest mit der
Lenkwelle verbunden. Die Aussparungen in der sich mit der
Lenkwelle drehenden Scheibe werden von neun am Umfang ange
ordneten Magnet-Hall-Schranken abgetastet, diese Hallschran
ken sind Bestandteil eines Hallsensors, an dessen Ausgang
eine logische 1 entsteht, wenn zwischen Magnet und Hall
schranke kein Blech ist und eine logische 0 entsteht, wenn
der Magnetfluß durch ein Blechsegment der Scheibe unterbro
chen ist.
Da bei einem solchen System für jede Winkelstellung eine
eindeutige Codeanordnung erhalten wird, kann sofort nach dem
Einschalten eine Aussage über die Winkelstellung getroffen
werden, sofern sichergestellt wird, daß alle Hallsensoren
einwandfrei arbeiten.
Falls der aus der PCT/DE 95/00343 bekannte Lenkradwinkelsen
sor bei einer Fahrdynamikregelung eingesetzt werden soll,
wird eine Eigensicherheit verlangt, diese Forderung bedeu
tet, daß die Hallsensoren entweder zuverlässig funktionieren
müssen oder daß ein Ausfall eines Sensors sicher erkannt
werden muß.
Der erfindungsgemäße Hallsensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sofort nach dem Einschalten
ein Ausfall sicher erkannt wird, so daß verhindert wird, daß
ein fehlerhaftes Ausgangssignal weiter verarbeitet wird.
Erzielt wird dieser Vorteil, indem der Hallsensor einen
zusätzlichen Eingang aufweist, über den ein Selbsttest
auslösbar ist, wobei dieser Selbsttest gleich nach dem Ein
schalten durch Anlegen einer vorgebbaren Selbsttestfunktion
erfolgt. Die Überprüfung, ob der Hallsensor noch korrekt
arbeitet, kann in vorteilhafter Weise nach wählbaren Zeiten
wiederholt werden, indem auf den zusätzlichen Eingang von
Zeit zu Zeit eine Selbsttestfunktion gegeben wird und die
Reaktion des Sensors auf diese Selbsttestfunktion ausgewer
tet wird.
In besonders vorteilhafter Weise werden solche Hallsensoren
bei der Bestimmung des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeuges
eingesetzt, wobei dann eine Anzahl von Sensoren je nach
Lenkradwinkel einen unterschiedlichen Code erzeugen, der
eine eindeutige Winkelbestimmung erlaubt. Damit eine
zuverlässige Fehlererkennung möglich ist, wird jedem dieser
Hallsensoren über einen eigenen Eingang eine Selbsttest
funktion zugeführt und es wird geprüft, ob das Ausgangs
signal der verschiedenen Hallsensoren sich in gleicher Weise
ändert. Nur dann ist sichergestellt, daß alle Hallsensoren
zuverlässig arbeiten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 den Aufbau eines Hallelements
einschließlich der zugehörige Auswerte- sowie Kontrollschal
tung. In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Lenkradwin
kelssensors angegeben und Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur
Erfassung des Lenkradwinkels, wie sie beispielsweise aus der
internationalen Anmeldung PCT/DE 95/00343 bekannt ist. Für
eine solche Einrichtung sind die erfindungsgemäßen Sensoren
besonders geeignet.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein Hallelement mit Selbst
testfunktion dargestellt. Dabei besteht das Hallelement 10
aus einer Brückenschaltung von vier Widerständen 13, 14, 15,
16, von denen jeweils zwei gegenüberliegende Widerstände
durch Ausnutzung des Halleffekts variabel sind.
Das Hallelement 10 liegt über einen ersten Anschluß an Ver
sorgungsspannung UV, ein zweiter Anschluß ist mit Masse ver
bunden. Diese Anschlüsse sind so gewählt, daß sie in der
Widerstandsbrücke 13, 14, 15, 16 einander diagonal
gegenüberliegen. Die zweite Diagonale der Widerstandsbrücke,
an der die Meßspannung UM abgegriffen wird, ist auf die
beiden Eingänge eines Komparators 11 geführt, an dessen
Ausgang die rechteckförmige Spannung UA entsteht, die über
den Ausgang A abgreifbar ist. Zwischen dem Ausgang des
Komparators 11 und dem nichtinvertierenden Eingang liegt ein
Rückkopplungswiderstand 17.
Eine Schaltungsanordnung 12, mit deren Hilfe die Selbsttest
funktion für das Hallelement realisiert wird, steht mit der
Meßdiagonale des Hallelementes 10 in Verbindung. Sie umfaßt
zwei Transistoren 18, 19, deren Emitter miteinander verbun
den sind und deren Kollektoren mit jeweils einem Eingang der
Meßdiagonalen des Hallelements 10 verbunden sind.
Die Basen der Transistoren 18 und 19 sind über Widerstände
20 und 21 mit einem D-Flip-Flop 22 verbunden, wobei der
Widerstand 20 zum Anschluß Q und der Widerstand 21 zum An
schluß Qinv führt.
Der Eingang D des Flip-Flops 22 ist mit dem Ausgang des Kom
parators 11 verbunden. Der Eingang C des Flip-Flops 22 ist
mit den Emittern der Transistoren 18 und 19 verbunden, dem
Eingang wird im übrigen das Testsignal UT zugeführt.
Sowohl das Hallelement 10 als auch die beschriebene Auswer
teschaltung sind auf einem Chip 23 integriert. Die Anschlüs
se des Chips 23 sind mit 24, 25, 26 und 27 bezeichnet, wobei
24 der Anschluß für die Versorgungsspannung ist, 25 der
Masseanschluß, 26 der Anschluß, an dem die Ausgangsspannung
abgenommen wird und 27 der Anschluß, dem der Testimpuls UT
zuführbar ist. Der Kontrolleingang 27 ist als zusätzlicher
Pin am Chip 23 ausgebildet, der Chip 23 stellt den eigentli
chen Hallsensor dar. Die Ausgangsspannung des Chips UA ist
rechteckförmig und high oder low, je nachdem ob sich in der
Nähe des Hallelementes ferromagnetisches Material befindet
oder nicht. Mit Hilfe der Selbsttestfunktionsschaltung 12
läßt sich die korrekte Funktionsweise des Hallelements über
prüfen. Über den Kontrolleingang bzw. Pin 27 wird das Hall
element zu einem Selbsttest veranlaßt. Wird ein Signal zuge
führt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, geht der Eingang C
des Flip-Flops 22 von high auf low. Dem Eingang D wird das
Ausgangssignal des Komparators 15 zugeführt. Dieses Aus
gangssignal ist entweder high oder low. Gemäß den an den
Eingängen C und D anliegenden Signalen wird entweder der
Ausgang Qinv = 0 und der Ausgang Q = 1. Dieser Fall tritt
auf, wenn sowohl am Eingang C als auch am Eingang D das
Signal high anliegt. Dann schaltet der Transistor 18 durch
und beeinflußt das Potential am invertierenden Eingang des
Komparators 15, wodurch dieser ebenfalls schaltet. Es kann
somit eine Funktionsfähigkeit des Hallelementes erkannt wer
den.
Ist der Ausgang des Komparators 15 low und wird am Eingang C
des Flip-Flops ein positives Signal (high) eingespeist,
tritt am Ausgang Qinv der Pegel high auf und am Ausgang Q
der Pegel low. Es wird dann der Transistor 18 gesperrt,
während der Transistor 19 leitet. Damit schaltet der Kompa
rator 15 von Low auf High.
Letztendlich wird als je nach Stellung des Ausgangssignals
beim Anlegen des Testsignals bzw. des Testimpulses das Aus
gangssignals investiert. Wird der Testimpuls zurückgenommen,
geht das Ausgangssignal wieder auf seinen ursprünglichen
Wert zurück.
Mit der dargestellten Selbsttestfunktion läßt sich durch
Zuführung eines Testimpulses also stets ein Umschalten der
Ausgangsspannung des Komparators 15 und damit des Chips
selbst erzwingen. Tritt eine solche Umschaltung nach Anlegen
der Testfunktion auf, ist sichergestellt, daß der Hallsensor
ordnungsgemäß funktioniert.
In Fig. 2 ist das Blockschaltbild eines Lenkradwinkelsen
sors dargestellt, der ein sogenanntes Feinsystem 28 mit neun
Hallsensoren sowie ein Grobsystem 29 mit drei Hallsensoren
umfaßt. Mit Hilfe der neun Hallsensoren des Feinsystems wird
eine sich in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel drehende nicht
dargestellte Scheibe, auf deren Oberfläche ein bestimmter
Code, beispielsweise ein Graycode, aufgebracht ist, abgeta
stet. Da dieser Code eindeutig ist, ist innerhalb einer
Umdrehung der Scheibe und damit innerhalb einer Umdrehung
des Lenkrades eine eindeutige Aussage bezüglich des Winkels
möglich.
Damit der Lenkradwinkel über vier Umdrehungen, also insge
samt 720° ermittelbar ist, ist ein weiteres Sensorsystem,
das als Grobsystem bezeichnet ist und drei Hallsensoren um
faßt, vorhanden. Durch geeignete Zuordnung von Codemarken
und Hallsensoren läßt sich wiederum ein Graycode darstellen.
Da sich die zweite Scheibe nur mit einem Viertel der
Geschwindigkeit der ersten Scheibe dreht, ist der vom Grob
system gelieferte Graycode während einer Umdrehung der zwei
ten Scheibe bzw. vier Umdrehungen des Lenkrades eindeutig.
Die neun Hallsensoren des Feinsystems sowie die drei Hall
sensoren des Grobsystems liegen zwischen Versorgungsspannung
UV und Masse. Die Versorgungsspannung UV beträgt beispiels
weise 5 V und wird mit Hilfe eines Spannungswandlers 30 aus
der Fahrzeugbordnetzspannung von 12 V gebildet.
Die Auswertung der von den Hallsensoren gelieferten Signale
erfolgt mit Hilfe eines Mikrocomputers 31, der über neun
Leitungen L1 mit je einem Hallsensor des Feinsystems verbun
den ist. Das Grobsystem ist über drei Leitungen L2 mit dem
Mikrocomputer 31 verbunden. Zusätzlich ist eine weitere Lei
tung L3 vorhanden, die mit je einem Control-Pin der neun
Hallsensoren des Feinsystems und der drei Hallsensoren des
Grobsystems verbunden ist. Über diese Leitung L3 wird vom
Mikrocomputer 31 ein Testimpuls an jeden der Hallsensoren
gegeben. Über die Leitungen L1 bzw. L2 werden dem Mikrocom
puter 31 die Reaktionen der Hallsensoren auf diesen Test
impuls zugeführt. Diese Reaktionen werden im Mikrocomputer
31 zur Fehlererkennung ausgewertet. Nach Beendingung des
Tests werden dem Microcomputer über die Leitungen L1, L2 die
Ausgangssignale der Hallsensoren, die zur Erkennung der Win
kelstellung dienen, zugeführt. Bei Einsatz eines Multi
plexsystems läßt sich die Zahl der Leitungen auch reduzie
ren.
Der Mikrocomputer 31 kann auch ein Mikroprozessor sein, der
ausschließlich dazu dient, den Lenkradwinkel zu bestimmen.
Zur Taktung wird ihm eine bestimmte Taktfrequenz, die im
Block 32 erzeugt wird, zugeführt. Die Abspeicherung der
ermittelten Daten kann mit Hilfe eines EEPROMS 33 erfolgen.
Die Weiterleitung der Daten erfolgt beispielsweise mit einer
CAN-Busschnittstelle 34 sowie entsprechende Aufbereitungs
mittel 35, von denen die bestimmten Daten über verschiedene
Eingänge an das Steuergerät 36 des Fahrzeugs geliefert wer
den. Es ist auch möglich, daß das Steuergerät 36 die Berech
nungen des Lenkradwinkels aus den Signalen des Grob- und
Feinsystems ganz oder teilweise übernimmt.
Der Mikrocomputer 31 kann auch selbst im Steuergerät inte
griert sein, es ist auch denkbar, daß die Ausgangssignale
der Hallsensoren des Lenkradwinkelsensors direkt im Steuer
gerät verarbeitet werden.
Mit der in Fig. 2 beschriebenen Anordnung läßt sich eine
Überprüfung der Hallsensoren unmittelbar nach dem Einschal
ten der Anordnung durchführen. Es ist auch möglich, während
des Betriebs zu geeignet wählbaren Zeiten einen Testimpuls
auf die Hallsensoren zu geben und ihre Reaktion auf den
Testimpuls zur Fehlererkennung auszuwerten. Wenn während des
Betriebs ein Defekt am Hallsensor auftritt, wird der Pegel
am Control-Pin invertiert. Dieser Pegeländerung wird dann
erkannt und ausgewertet. Neben der Defekterkennung mit Hilfe
des Anlegens eines Testimpulses, können im Mikrocomputer 31
weitere Plausibilitätsüberprüfungen ablaufen-, so können bei
spielsweise nicht mögliche Bitkombinationen im Graycode des
Lenkwinkelsensors erkannt werden und zur Fehlererkennung
verwendet werden. Weiterhin können unzulässige Änderungen
des Codes erkannt werden. Üblicherweise ist der Code so aus
gestaltet, daß sich nacheinander nicht zwei Bits gleichzei
tig ändern können. Tritt dieser Effekt trotzdem auf, muß ein
Fehler vorhanden sein. Diese Plausibilitätsuntersuchungen
können üblicherweise neben der Fehlererkennung mit Hilfe der
Testfunktion ablaufen.
Generell kann nach Ablauf einer bestimmten Zeit die intern
ablaufende Überwachungsfunktion beendet werden und das
Ergebnis am Ausgangs-Pin des Hallsensors angezeigt werden.
Der Zustand des Hallsensors kann damit in einer Initialisie
rung sofort erkannt werden und ggf. ein Fehler angezeigt
werden. Nach Ablauf der Testphase wechselt der Sensor entwe
der automatisch in den normalen Betriebsmodus oder er wird
durch einen Wechsel des Pegels am Control-Pin dazu veran
laßt.
Das zugeführte Signal, das den Selbsttest auslöst, ist an
die Spannungserfordernisse des Systems anzupassen. Es kann
sich dabei um ein Signal handeln, das den Wert 1 oder 0 an
nimmt. Die Signale high und low können auch durch Spannungen
von beispielsweise 5 V und 0 V dargestellt werden.
Anstelle eines oder mehrere Hallsensoren lassen sich auch
andere Sensoren mit Hilfe einer derartigen Testfunktion auf
Funktionsfähigkeit überprüfen, sofern im wesentlichen binäre
Ausgangssignale erhalten werden.
In Fig. 3 sind die für das Verständnis der Erfindung
wesentlichen Bestandteile eines Lenkradwinkelsensors, wie er
aus der internationalen Anmeldung PCT/DE 95/00343 bekannt
ist, dargestellt. Die Beschreibung dieses Systems ist der
genannten Druckschrift zu entnehmen. Die Bezugszeichen
entsprechen dabei den in der Anmeldung PCT/DE 95/00343
verwendeten Bezugszeichen. Diese Druckschrift soll
Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung sein.
Claims (10)
1. Sensor mit einem Sensorelement mit einem ersten Anschluß
zur Spannungsversorgung, einem zweiten Anschluß zur Verbin
dung mit Masse und einem dritten Anschluß, über den ein im
wesentlichen binäres Ausgangssignal entnehmbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß ein weiterer Anschluß vorhanden ist,
über den zu wählbaren Zeiten ein Testsignal zuführbar ist,
das das zu diesem Zeitpunkt in einem ersten binären Zustand
befindliche Ausgangssignal zum Übergang in den zweiten
Zustand veranlaßt, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn der
Zustandsübergang nicht auftritt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sensorelement ein Hallelement ist, das in einer Brücken
schaltung liegt, wobei ein Zweig zwischen Versorgungsspan
nung und Masse liegt, während der andere Zweig das Ausgangs
signal liefert und der weitere Anschluß über eine Schal
tungsanordnung (12) mit der Meßdiagonale des Sensorelements
in Verbindung steht.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sensorelement eine Brückenschaltung mit wenigstens einem
magnetfeldabhängigen Widerstand umfaßt und zwischen Versor
gungsspannung und Masse liegt.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßdiagonale des Sensorelements (10)
mit den beiden Eingängen eines Komparators (15) in Verbin
dung steht, dessen Ausgang mit dem Anschluß für das Aus
gangssignal verbunden ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10), der Komparator
(15) sowie die Schaltungsanordnung (12) Bestandteil eines
Mikrochips sind, der den eigentlichen Sensor darstellt.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungsanordnung (12) ein D-Flip-Flop (22) umfaßt, dessen
Eingang (D) mit dem Ausgang des Komparators (15) in Verbin
dung steht, dessen Eingang (C) mit dem Testeingang (27) in
Verbindung steht, dessen Ausgang (Q) mit der Basis eines
Transistors (18) in Verbindung steht und dessen Ausgang
(Qinv) mit der Basis eines weiteren Transistors (19) in Ver
bindung steht, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke der bei
den Transistoren (18, 19) mit je einem Eingang der Meßdiago
nalen des Sensorelements (10) und dem Eingang (C) des
D-Flip-Flops in Verbindung stehen.
7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi
schen dem Ausgang (Q) des Flip-Flops (22) und der Basis des
Transistors (18) ein Widerstand (20) und zwischen dem Aus
gang (Qinv) des Flip-Flops (22) und der Basis des Transi
stors (19) ein Widerstand (21) liegt.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung oder ein Mikro
computer vorhanden ist, der die Ausgangssignale (UA) auswer
tet und die Testfunktionen (UT) generiert und dem Sensor zu
führt.
9. Einrichtung zur Erfassung eines Lenkwinkels, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Anzahl von Sensoren nach Anspruch 1
bis 6, vorhanden sind, die im Zusammenwirken mit codierten
Geberscheiben, die sich in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel
drehen, einen Code liefern, der einen eindeutigen Lenkrad
winkel charakterisiert.
10. Einrichtung zur Erfassung des Lenkradwinkels nach
Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Hallsenso
ren ein Testimpuls zugeführt wird und geprüft wird, ob sich
alle Ausgangssignale nach Zuführung des Testimpulses in der
erwarteten Weise ändern und ein Fehler erkannt wird, wenn
sich wenigstens eines der Ausgangssignale nicht ändert.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995139458 DE19539458C2 (de) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | Sensor mit Testeingang |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1995139458 DE19539458C2 (de) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | Sensor mit Testeingang |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19539458A1 true DE19539458A1 (de) | 1997-04-30 |
DE19539458C2 DE19539458C2 (de) | 2001-03-15 |
Family
ID=7775571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1995139458 Expired - Fee Related DE19539458C2 (de) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | Sensor mit Testeingang |
Country Status (1)
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