DE19539458C2 - Sensor mit Testeingang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeugs 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.

Aus dem "Abstract" der japanischen Druckschrift JP 1-321381 A ist eine Fehlererkennungsschaltung bei einem Sensor bekannt, bei dem der Auswerteschaltung ein Testimpuls zugeführt wird und die Reaktion der Auswerteschaltung auf den Testimpuls ausgewertet wird. In Abhängigkeit von dieser Reaktion schaltet der Ausgang eines Komparators um. Falls die Umschaltung nicht in der erwarteten Weise erfolgt, wird auf Vorliegen eines Fehlers erkannt. Eine weitergehende Fehlererkennung erfolgt nicht. Dass ein solcher Sensor im Zusammenhang mit der Erfassung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann, wird nicht erwähnt.

Im "Abstract" der japanischen Anmeldung JP 59-3368 A ist eine Fehlererkennungsschaltung bei einem Sensor bekannt, die wenigstens einen Mikroprozessor aufweist. Im Wesentlichen erfolgt die Fehlererkennung, indem das Ausgangssignals des Sensors daraufhin untersucht wird, ob es innerhalb zu erwartender Grenzen liegt. Ist dies nicht der Fall, wird auf einen Fehler erkannt.

Die DE 44 09 892 A1 zeigt eine Sensoranordnung zur Erfassung des Lenkwinkels bzw. des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeugs mit zwei Sensorsystemen, die ein Grobsignal und ein Feinsignal erzeugen. Die Kombination der beiden Signale ergibt einen bestimmten Code, dessen Auswertung eine exakte Winkelberechnung ermöglicht. Bei dieser bekannten Sensoranordnung werden Maßnahmen getroffen, die möglicherweise auftretende Zweideutigkeiten in bestimmten Winkelbereichen erkennen lassen und so eine besonders zuverlässige Signalauswertung ermöglichen. Eine Erkennung einer Fehlfunktion wird nicht erwähnt.

Aus der DE 44 00 437 A1 ist eine Halbleitersensorvorrichtung bekannt, bei der der Halbleitersensor zwischen eine Spannungsversorgung und Masse gelegt wird und einen Ausgangsanschluss aufweist, an welchem die Messgröße abgreifbar ist. Diese Halbleitersensorvorrichtung wird auf Funktionsfähigkeit überwacht, indem die Ausgangsspannung daraufhin überwacht wird, ob sie innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird eine Fehlererkennung aktiviert. Eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit durch Zuführung eines Testsignals wird nicht vorgeschlagen. Ein Einsatz eines solchen Sensors in Verbindung mit der Erfassung des Lenkwinkels oder Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeuges wird nicht erwähnt.

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung

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 Q_inv 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 Q_inv = 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 Q_inv 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 (9)

1. Einrichtung zur Erfassung des Lenkradwinkels eines Kraftfahrzeuges, mit einer Anzahl von Sensorelementen, die im Zusammenwirken mit codierten Geberscheiben, die sich in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel drehen, Ausgangssignale liefern, die wenigstens einen bestimmten Code bilden, der einen eindeutigen Lenkradwinkel charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente einen ersten Anschluß zur Spannungsversorgung, einen zweiten Anschluß zur Verbindung mit Masse und einen dritten Anschluß, über den ein binäres Ausgangssignal entnehmbar ist, aufweisen und daß ein weiterer Anschluß vorhanden ist, über den zu wählbaren Zeiten ein Testsignal zuführbar ist, das zu diesen Zeiten das in einem ersten binären Zustand befindliche Ausgangssignal zum Übergang in den zweiten binären Zustand veranlaßt, wobei ein Fehler erkannt wird, wenn der Zustandsübergang nicht auftritt und zusätzlich ein Fehler erkannt wird, wenn der registrierte Code eine nicht mögliche Bitkombination aufweist oder wenn unzulässige Änderungen des Codes erkannt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente Hallelemente sind, die jeweils in einer Brückenschaltung liegen, wobei ein Zweig zwischen Versorgungsspannung und Masse liegt, während der andere Zweig, der das Ausgangssignal liefert und der weitere Anschluß über eine Schaltungsanordnung (12) mit den Meßdiagonalen der Sensorelemente in Verbindung steht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente eine Brückenschaltung mit wenigstens je einem Magnetfeld abhängigen Widerstand umfassen und zwischen Versorgungsspannung und Masse liegen.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdiagonale der Sensorelemente mit den beiden Eingängen eines Komparators in Verbindung stehen, dessen Ausgang mit dem Anschluß für das Ausgangssignal verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (10), der Komparator (15) sowie die Schaltungsanordnung (12) Bestandteil eines Mikrochips sind, der den eigentlichen Sensor darstellt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Testfunktion (UT) vom Mikrocomputer generiert und den Sensorelementen zugeführt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Sensorelemente ein Testimpuls zugeführt wird und geprüft wird, ob sich alle Ausgangssignale nach Zuführung des Testimpulses in der zu erwartenden Weise ändern und ein Fehler erkannt wird, wenn sich wenigstens eines der Ausgangssignale nicht ändert.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (12) ein D-Flip-Flop (22) umfaßt, dessen Eingang (D) mit dem Ausgang des Komparators (15) in Verbindung 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 (Q_inv) mit der Basis eines weiteren Transistors (19) in Verbindung steht, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke der beiden Transistoren (18, 19) mit je einem Eingang der Meßdiagonalen der Sensorelemente und dem Eingang (C) des D-Flip-Flops in Verbindung stehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (Q) des Flip-Flops (22) und der Basis des Transistors (18) ein Widerstand (20) und zwischen dem Ausgang (Q_inv) des Flip-Flops (22) und der Basis des Transistors (19) ein Widerstand (21) liegt.