DE19707263A1 - Selbstkalibrierende Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstkalibrierende Sensoranordnung mit einem Sensor und einer im Ausgangskreis des Sensors liegenden Kalibrierschaltung zur Einstellung von Schaltpunkten.

Zur Erfassung der Bewegung bzw. des Lagezustandes von rotie­ renden Teilen werden bekanntlich Sensoren verwendet. Beispie­ le hierfür sind Kurbelwellen-, Nockenwellen-, Getriebe- und ABS-Sensoren in Automobilen.

Als solche Sensoren werden vorzugsweise Hall-Sensoren einge­ setzt, die die Veränderung eines Magnetfeldes abtasten. Hier­ zu wird beispielsweise ein Permanentmagnet an einem ortsfe­ sten Teil angebracht, um ein magnetisches Feld zu erzeugen. Diese magnetische Feld wird dann von einem Zahnrad oder einem anderen ferromagnetischen Geber, das bzw. der an dem rotie­ renden Teil befestigt ist, je nach Lage moduliert. Der Hall- Sensor befindet sich dabei vorzugsweise zwischen dem Perma­ nentmagnet und dem Zahnrad bzw. Geber und kann so Schwankun­ gen des magnetischen Feldes detektieren. Liegt beispielsweise ein Zahn des Zahnrades im Magnetfeld, so wird ein "hohes" Ausgangssignal geliefert, während eine Lücke zwischen den Zähnen ein "niedriges" Ausgangssignal bedingt. Auf diese Wei­ se kann aus dem von dem Hall-Sensor abgegebenem Signal auf die Lage bzw. Stellung eines rotierenden Teiles geschlossen werden.

Das von einem Sensor gelieferte Signal wird wesentlich durch die Betriebsbedingungen beeinflußt, unter denen der Sensor eingesetzt wird. Diese Betriebsbedingungen umfassen unver­ meidbare Unwegbarkeiten, wie beispielsweise Arbeitstemperatur oder Größe des Luftspaltes usw. Trotz der durch die Betriebs­ bedingungen hervorgerufenen Schwankungen sollte der Sensor ein möglichst gut definiertes Ausgangssignal liefern. Das heißt, das Ausgangssignal sollte unabhängig von den durch die Betriebsbedingungen hervorgerufenen Schwankungen einen wohl definierten Verlauf haben. Die Ursache hierfür ist die fol­ gende:
Liefert eine Sensoranordnung beispielsweise ein sinusförmiges Signal, so kann ein gut definiertes Verhalten eines durch die Sensoranordnung gesteuerten Systems dann erhalten werden, wenn Schaltvorgänge im System, die vom Ausgangssignal des Sensors abhängen, in den Nulldurchgängen dieses Signales vor­ genommen werden. Diese Nulldurchgänge sind nämlich unabhängig von der jeweiligen Signalamplitude und besitzen außerdem eine große Flankensteilheit.

Selbstverständlich kann bei anderen Signalformen des Aus­ gangssignals des Sensors eventuell auch ein anderer Schalt­ punkt als ein Nulldurchgang bzw. die Signalmitte von Vorteil sein.

Bei der Auswertung des Ausgangssignales eines Sensors zum Schalten eines über diesen Sensor gesteuerten Systems sollte also ein Schaltpunkt unabhängig von der Signalamplitude des Ausgangssignals des Sensors eingehalten werden, was selbst für sehr langsame Signale gilt.

Im einzelnen ist in VDI Berichte 1287, 1996, Seiten 583 bis 611, "Eine neue Generation von "Hall-Effekt"-Zahnradsensoren: Vorteile durch die Verbindung von BIMos Technologie und neben Verpackungsrezepten" eine Sensoranordnung beschrieben, bei der zunächst die Amplitude des Ausgangssignals eines Sensor gegebenenfalls mit Hilfe eines Analog/Digital(A/D)-Umsetzers normiert wird. Sodann werden mit Hilfe von zwei weiteren A/D- und D/A-Umsetzern die Signalspitzenwerte erfaßt. Hieraus wird sodann eine Schaltschwelle abgeleitet und festgelegt. Auf diese Weise kann schließlich ein Systemverhalten erreicht werden, das im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwan­ kungen und der Breite des Luftspaltes ist. Der für diese Sen­ soranordnung erforderliche Aufwand ist jedoch relativ groß, da eine Verstärkungsanpassung und zahlreiche A/D-Umsetzer be­ nötigt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstkalibrierende Sensoranordnung zu schaffen, die bei ge­ ringem Aufwand Schaltvorgänge in ausgewählten Punkten eines Ausgangssignales eine Sensors zuverlässig ausführt.

Diese Aufgabe wird bei einer selbstkalibrierenden Sensoran­ ordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kalibrierschaltung einen Offset (bzw. eine Versetzung) im Ausgangskreis derart einstellt, daß die Schaltpunkte mit Referenzwerten zusammenfallen.

Vorzugsweise dient ein Offset-D/A-Umsetzer zur Einstellung des Offsets im Ausgangskreis, während eine Detektorschaltung aus einem Stromteiler und einem Stromspiegel Signalspitzen des Ausgangssignales des Sensors erfaßt und dazu dient, mit­ tels Widerständen einen vorher bestimmten Schaltpunkt einzu­ stellen. Damit bleibt dieser vorher bestimmte Schaltpunkt un­ abhängig von der Amplitude des Ausgangssignales und damit beispielsweise unabhängig von der Breite des Luftspaltes kon­ stant.

Zwischen dem Offset-D/A-Umsetzer und der Detektorschaltung liegt eine Kalibrierlogik, die von Komparatoren angesteuert ist, denen die Ausgangssignale des Stromteilers und des Stromspiegels einerseits und das Ausgangssignal des Sensors andererseits zugeführt sind.

Die erfindungsgemäße selbstkalibrierende Sensoranordnung ist äußerst einfach aufgebaut, wobei zusätzliche Fehlerquellen, wie sie etwa durch Rauschen entstehen, ausgeschlossen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert, in deren einziger Figur
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen selbst­ kalibrierenden Sensoranordnung gezeigt ist.

Eine Hall-Sonde 1 speist über einen Verstärker 2 ein Aus­ gangssignal zu einem Ausgangskreis 3, in welchem ein Wider­ stand R1 gelegen ist, der einen Stromausgang als Ausgangs­ signal in eine Spannung umwandelt. Selbstverständlich ist auch eine andere Gestaltung der Schaltung möglich, bei der ein Spannungsausgang als Ausgangssignal einem Spannungssum­ mierverstärker zugeführt wird.

Über einen ersten Komparator K1, der aus Gründen der Störun­ terdrückung vorzugsweise mit einer Hysterese ausgestattet ist, wird schließlich ein Ausgangssignal an einem Ausgangsan­ schluß 4 abgegeben.

Mittels einer Kalibrieranordnung aus insbesondere einem Offset-D/A-Umsetzer 5, der von einer Kalibrierlogik 6 ange­ steuert ist, wird der Offset bzw. die Versetzung des Aus­ gangssignales des Verstärkers 2 so eingestellt, daß der vor­ bestimmte Schaltpunkt genau bei einer Referenzspannung, bei­ spielsweise Masse, zu liegen kommt. Dieser vorbestimmte Schaltpunkt, also beispielsweise die Signalmitte, wie dies eingangs erläutert wurde, wird mittels eines Spannungsteilers aus Widerständen R2 und R3 eingestellt. Damit ist gewährlei­ stet, daß der Schaltpunkt unabhängig von der Signalamplitude bzw. der Breite des Luftspaltes konstant bleibt. Der Schal­ tungsaufbau des Ausgangskreises 3 ist äußerst einfach, so daß zusätzliche Fehlerquellen, wie sie beispielsweise durch Rau­ schen entstehen, praktisch ausgeschlossen sind.

Das Ausgangssignal der Hall-Sonde 1 bzw. des Verstärkers 2 wird über eine Leitung 7 im Ausgangskreis 3 abgegriffen und Eingängen von Komparatoren K2 und K3 zugeführt, an deren an­ deren Eingängen Spannungen ref+ und ref- von einer Transi­ stor-Hilfsschaltung aus einem Stromteiler und einem Strom­ spiegel 8 liegen. In die Widerstände R2 und R3 werden daher gleiche Ströme eingespeist. Mit Hilfe des Verhältnisses der widerstandswerte der Widerstände R2 und R3 kann dann eine Si­ gnalmittenlage eingestellt werden. Wenn nämlich beispielswei­ se die Widerstandswerte der Widerstände R2 und R3 sowie die dort jeweils fließenden Ströme 12 und 13 gleich groß sind, so liegen die Spannungen ref+ und ref- symmetrisch um das Be­ zugspotential, das im vorliegenden Fall Masse ist. Der Schaltpunkt liegt also dann in der Signalmitte.

Gilt beispielsweise für die Widerstandswerte der Widerstände R2 und R3 die folgende Beziehung: R2 = 2 × R3 und I2 = I3, dann ist die Spannung ref+ doppelt so weit entfernt vom Be­ zugspotential wie die Spannung ref-. In diesem Fall liegt der Schaltpunkt dann bei 1/3 des Signalhubes.

Der Stromteiler bzw. der Stromspiegel weist außerdem noch Transistoren 9, 10, 11, 12 auf, wobei die Basis des Transi­ stors 9 mit einer Vorspannung beaufschlagt ist und die Emit­ ter der Transistoren 11 und 12 mit einer Spannungsquelle ver­ bunden sind.

Die Kalibrierlogik 6 arbeitet nun in der folgenden Weise:
Wenn vom Ausgangssignal des Verstärkers 2 im Ausgangskreis 3 weder die Schaltschwelle des Komparators K2 noch die Schalt­ schwelle des Komparators K3 erreicht werden, liegt offen­ sichtlich ein kleines Signal vor. In diesem Fall wird der Strom durch einen am Ausgang der Kalibrierlogik 6 liegenden Verstärkungs-D/A-Umsetzer 13, der mit den Emittern der Tran­ sistoren 9, 10 verbunden ist, verringert.

Wird dagegen sowohl die Schaltschwelle des Komparators K2 als auch die Schaltschwelle des Komparators K3 durch das Aus­ gangssignal im Ausgangskreis 3 überschritten, so ist das Si­ gnal groß, was bedeutet, daß der Strom durch den Verstär­ kungs-D/A-Umsetzer 13 erhöht werden muß.

Spricht schließlich nur einer der beiden Komparatoren K2 und K3 auf das Ausgangssignal im Ausgangskreis 3 an, so ist die Signallage unsymmetrisch, und der Offset-D/A-Umsetzer 5 muß nachgeregelt werden.

Im eingeschwungenen Zustand der Sensoranordnung ist die Lage der Spannungen ref+ und ref- so, daß sie die Signalspitzen des Ausgangssignales des Verstärkers 2 im Ausgangskreis 3 wi­ derspiegeln. Zusätzlich ist der Offset des Ausgangssignales so geregelt, daß der ausgezeichnete Schaltpunkt genau beim Bezugspotential, beispielsweise Masse, zu liegen kommt.

Es sei noch angemerkt, daß eventuelle Änderungen in der Ver­ stärkungsanpassung, also in dem Verstärkungs-D/A-Umsetzer 13, keinen Einfluß auf den Schaltpunkt haben, da dieser Signal­ pfad hiervon entkoppelt ist. Es ist also eine gute Reprodu­ zierbarkeit des Ausgangssignales gewährleistet, was besonders für Kurbelwellen-Sensoren von Bedeutung ist.

Der Takt für die Kalibrierlogik 6 kann vom Ausgangssignal im Ausgangskreis 3 abgeleitet werden. Dies ist möglich, wenn vorausgesetzt wird, daß die Sensoranordnung insgesamt kali­ briert ist, oder zumindest die Startwerte der Sensoranordnung zu einer regulären, wenn auch nicht genauen Funktion führen. Gegebenenfalls kann in einer Startphase ein Hilfstakt zuge­ führt werden, der den Offset von dem Offset-D/A-Umsetzer so lange verschiebt, bis am Ausgangskreis 3 ein Signal er­ scheint, wobei anschließend auf den "normalen" Betrieb umge­ schaltet wird. Damit ist ein Anlaufen auch mit relativ ungün­ stigen Startwerten möglich.

Gegebenenfalls kann zu dem Ausgangskreis 3 noch ein Parallel­ pfad vorgesehen werden, der das Verhalten im unkalibrierten Zustand festlegt. Zusätzlich kann auch daran gedacht werden, einmal ermittelte Kalibrierwerte in einem permanenten Spei­ cher, wie beispielsweise einem EEPROM oder einer Fuse, abzu­ legen und diese Werte sodann bei einem erneuten Anlaufen der Sensoranordnung im unkalibrierten Fall zu verwenden.

Claims (6)

1. Selbstkalibrierende Sensoranordnung mit einem Sensor (1) und einem im Ausgangskreis (3) des Sensors (1) liegenden Ka­ librierschaltung (6, 8, K2, K3, 13), dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierschaltung einen Offset im Ausgangskreis (3) derart einstellt, daß die Schaltpunkte mit Referenzwerten zu­ sammenfallen.

2. Selbstkalibrierende Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Offset-D/A-Umsetzer (5), der den Offset im Aus­ gangskreis (3) einstellt, eine Detektorschaltung (8) zur Er­ mittlung von Signalspitzen im Ausgangssignal des Sensors (1) nachgeschaltet ist.

3. Selbstkalibrierende Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung aus einem Stromteiler (R2, R3) und einem Stromspiegel (9 bis 12) besteht.

4. Selbstkalibrierende Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Offset-D/A-Umsetzer (5) und der Detektor­ schaltung (8) eine Kalibrierlogik (6) liegt, die von Kompara­ toren (K2, K3) angesteuert ist, denen die Ausgangssignale des Stromteilers und des Stromspiegels (8) einerseits und das Ausgangssignal des Sensors andererseits zugeführt sind.

5. Selbstkalibrierende Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kalibrierlogik (6) und dem Stromteiler sowie dem Stromspiegel ein Verstärkungs-D/A-Umsetzer (13) angeord­ net ist.

6. Selbstkalibrierende Sensoranordnung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis (3) ein Widerstand (R1) und ein Kompara­ tor (K1) vorgesehen sind.