DE19707263B4

DE19707263B4 - Verfahren zum Einstellen von Schaltpunkten bei einem Sensor-Ausgangssignal

Info

Publication number: DE19707263B4
Application number: DE19707263A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Dr. Draxelmayr
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: KR20000065066A; JP3011774B2; JPH11508698A; WO1998037386A1; EP1095242A1; DE19707263A1; CN1217786A; US6279375B1

Abstract

Verfahren zum Einstellen und Nachregeln von Schaltpunkten eines von einem Ausgangssignal einer Sensoranordnung angesteuerten Systems, wobei das Ausgangssignal obere und untere Signalspitzen aufweist, durch
– Festsetzen der Schaltpunkte bei einem wählbaren Verhältnis zwischen einem oberen und einem unteren Referenzwert,
– fortlaufenden Vergleich der jeweils oberen bzw. unteren Referenzwerte mit den jeweils entsprechenden oberen bzw. unteren Signalspitzen des Ausgangssignals,
– fortlaufendes Nachregeln eines Offsets des Ausgangssignals, wenn eine unsymmetrische Signallage festgestellt wird und
– damit fortlaufender Ausgleich von Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals, wobei
der Ausgleich der Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals durch gleichzeitiges, gleich schnelles und entgegengesetzt gerichtetes Nachführen der Referenzwerte an die oberen und unteren Signalspitzen erfolgt, wenn beide Referenzwerte zwischen den Signalspitzen oder beide Signalspitzen zwischen den Referenzwerten liegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Schaltpunkten eines von einer Sensoranordnung angesteuerten Systems bei einem beliebigen, festen Verhältnis zwischen den Signalspitzen des Ausgangssignales eines Sensors.
Zum Erfassen der Bewegung bzw. des Lagezustandes von rotierenden Teilen werden bekanntlich Sensoren verwendet. Beispiele hierfür sind Kurbelwellen-, Nockenwellen-, Getriebe- und ABS-Sensoren in Automobilen.
Als solche Sensoren werden vorzugsweise Hall-Sensoren eingesetzt, die die Veränderung eines Magnetfeldes abtasten. Hierzu wird beispielsweise ein Permanentmagnet an einem ortsfesten 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 rotierenden Teil befestigt ist, je nach Lage moduliert. Der Hall-Sensor befindet sich dabei vorzugsweise zwischen dem Permanentmagnet und dem Zahnrad bzw. Geber und kann so Schwankungen 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 Weise 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 unvermeidbare Unwägbarkeiten, wie beispielsweise Arbeitstemperatur oder Größe des Luftspaltes usw. Trotz der durch die Betriebsbedingungen 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 folgende:
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 vorgenommen werden. Diese Nulldurchgänge sind nämlich unabhängig von der jeweiligen Signalamplitude und besitzen außerdem eine große Flankensteilheit.
Selbstverständlich kann bei anderen Signalformen des Ausgangssignals des Sensors eventuell auch ein anderer Schaltpunkt 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.
In VDI Berichten 1287, 1996, Seiten 583 bis 611, "Eine neue Generation von "Hall-Effekt"-Zahnradsensoren: Vorteile durch die Verbindung von BIMos Technologie und neuen Verpackungsrezepten" ist 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 Temperaturschwankungen und der Breite des Luftspaltes ist. Der für diese Sensoranordnung erforderliche Aufwand ist jedoch relativ groß, da eine Verstärkungsanpassung und zahlreiche A/D-Umsetzer benötigt werden.
In der DE 32 01 811 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung von Drehzahl, Winkel, Lage und dergleichen beschrieben. Dabei wird das Signal eines Sensors Schaltmitteln zugeleitet, welche die Amplitude und/oder Amplitudenschwankungen überwachen. Hierfür wird die Amplitude von einem Spitzenwertmesser erfaßt und einer Schwellwertstufe zugeführt. Diese markiert einen zulässigen Bereich für Schwankungen der Signalamplitude. Wird dieser Bereich nicht eingehalten, so wird das Signal des Sensors abgeschaltet, so daß sichergestellt wird, daß keine verfälschten Signale ausgegeben werden. Nach dieser Methode wird das vom Sensor ausgegebene Signal nicht korrigiert, d.h. es erfolgt keine Rückwirkung von der Schwellwertstufe auf das Ausgangssignal, in anderen Worten, das Ausgangssignal wird nur passiv überwacht.
In DE 196 00 803 A1 wird eine Verstärkervorrichtung für Sensoranordnungen beschrieben. Hierbei wird die Amplitude eines Vergleichssignals in Abhängigkeit des Über- bzw. Unterschreitens von Grenzwerten des Sensorsignals der Verstärkervorrichtung eingestellt. Die Amplitude des Vergleichssignals schwankt dabei zwischen zwei Grenzwerten innerhalb eines vorherbestimmten Amplitudenbereichs.
DE 29 03 194 A1 beschreibt die Kalibrierung bzw. Kompensation eines Sensors mittels in einer Eichphase des Sensors ermittelter und digital abgespeicherter Kalibrierwerte.
EP 0 489 936 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Auswertung phasenverschobener sinusförmiger Signale bezüglich Abweichungen in der Amplitude und des Mittelwerts (Offsets).
DE 32 08 262 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung, bei der der Schaltpunkt einer Schwellwertstufe mittels eines Stromspiegels, dem ein dem Mittelwert einer Geberspannung entsprechender Referenzstrom zugeführt wird, einzeln eingestellt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, nach welchem bei geringem Aufwand Schaltvorgänge eines über ein Ausgangssignal eines Sensor angesteuerten Systems in ausgewählten Punkten des Ausgangssignales des Sensors zuverlässig ausgeführt werden. Insbesondere sollen die Schaltpunkte unabhängig von der Amplitude des Ausgangssignals eingehalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 beschriebenen Verfahrensschritten gelöst.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Offset im Ausgangskreis mit einem Offset-D/A-Umsetzer eingestellt, während mit einer Detektorschaltung aus einem Stromteiler und einem Stromspiegel Signalspitzen des Ausgangssignales des Sensors erfaßt werden und mittels Widerständen ein vorher bestimmter Schaltpunkt eingestellt wird.
Danach bleiben vorher bestimmte Schaltpunkte unabhängig von der Amplitude des Ausgangssignales und damit beispielsweise unabhängig von der Breite des Luftspaltes konstant.
Zwischen dem Offset-D/A-Umsetzer und der Detektorschaltung liegt eine Kalibrierlogik, die von Komparatoren angesteuert wird, denen die Ausgangssignale des Stromteilers und des Stromspiegels einerseits und das Ausgangssignal des Sensors andererseits zugeführt werden.
Vorzugsweise werden die Schaltpunkte bei einem sinusförmigen Ausgangssignal auf die Nulldurchgänge des Ausgangssignals eingestellt. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil einer großen Flankensteilheit bei den Schaltpunkten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst einfach, wobei zusätzliche Fehlerquellen, wie sie etwa durch Rauschen entstehen, ausgeschlossen sind.
Nachfolgend wird das die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen selbstkalibrierenden Sensoranordnung gezeigt ist.
Eine Hall-Sonde 1 speist über einen Verstärker 2 ein Ausgangssignal zu einem Ausgangskreis 3, in welchem ein Widerstand R1 gelegen ist, der einen Stromausgang als Ausgangssignal in eine Spannung umwandelt. Selbstverständlich ist auch eine andere Gestaltung der Schaltung möglich, bei der ein Spannungsausgang als Ausgangssignal einem Spannungssummierverstärker zugeführt wird.
Über einen ersten Komparator K1, der aus Gründen der Störunterdrückung vorzugsweise mit einer Hysterese ausgestattet ist, wird schließlich ein Ausgangssignal an einem Ausgangsanschluß 4 abgegeben.
Mittels einer Kalibrieranordnung aus insbesondere einem Offset-D/A-Umsetzer 5, der von einer Kalibrierlogik 6 angesteuert ist, wird der Offset bzw. die Versetzung des Ausgangssignales des Verstärkers 2 so eingestellt, daß der vorbestimmte Schaltpunkt genau bei einer Referenzspannung, beispielsweise 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 gewährleistet, daß der Schaltpunkt unabhängig von der Signalamplitude bzw. der Breite des Luftspaltes konstant bleibt. Der Schaltungsaufbau des Ausgangskreises 3 ist äußerst einfach, so daß zusätzliche Fehlerquellen, wie sie beispielsweise durch Rauschen 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 anderen Eingängen Spannungen ref+ und ref– von einer Transistor-Hilfsschaltung aus einem Stromteiler und einem Stromspiegel 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 Signalmittenlage eingestellt werden. Wenn nämlich beispielsweise die Widerstandswerte der Widerstände R2 und R3 sowie die dort jeweils fließenden Ströme I2 und I3 gleich groß sind, so liegen die Spannungen ref+ und ref– symmetrisch um das Bezugspotential, 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 Bezugspotential 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 Transistors 9 mit einer Vorspannung beaufschlagt ist und die Emitter der Transistoren 11 und 12 mit einer Spannungsquelle verbunden 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 Schaltschwelle des Komparators K3 erreicht werden, liegt offensichtlich 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 Transistoren 9, 10 verbunden ist, verringert.
Wird dagegen sowohl die Schaltschwelle des Komparators K2 als auch die Schaltschwelle des Komparators K3 durch das Ausgangssignal im Ausgangskreis 3 überschritten, so ist das Signal groß, was bedeutet, daß der Strom durch den Verstärkungs-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 widerspiegeln. 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 Verstärkungsanpassung, also in dem Verstärkungs-D/A-Umsetzer 13, keinen Einfluß auf den Schaltpunkt haben, da dieser Signalpfad hiervon entkoppelt ist. Es ist also eine gute Reproduzierbarkeit 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 vor ausgesetzt wird, daß die Sensoranordnung insgesamt kalibriert ist, oder zumindest die Startwerte der Sensoranordnung zu einer regulären, wenn auch nicht genauen Funktion führen. Gegebenenfalls kann in einer Startphase ein Hilfstakt zugeführt werden, der den Offset von dem Offset-D/A-Umsetzer so lange verschiebt, bis am Ausgangskreis 3 ein Signal erscheint, wobei anschließend auf den "normalen" Betrieb umgeschaltet wird. Damit ist ein Anlaufen auch mit relativ ungünstigen Startwerten möglich.
Gegebenenfalls kann zu dem Ausgangskreis 3 noch ein Parallelpfad vorgesehen werden, der das Verhalten im unkalibrierten Zustand festlegt. Zusätzlich kann auch daran gedacht werden, einmal ermittelte Kalibrierwerte in einem permanenten Speicher, wie beispielsweise einem EEPROM oder einer Fuse, abzulegen und diese Werte sodann bei einem erneuten Anlaufen der Sensoranordnung im unkalibrierten Fall zu verwenden.

Claims

Verfahren zum Einstellen und Nachregeln von Schaltpunkten eines von einem Ausgangssignal einer Sensoranordnung angesteuerten Systems, wobei das Ausgangssignal obere und untere Signalspitzen aufweist, durch – Festsetzen der Schaltpunkte bei einem wählbaren Verhältnis zwischen einem oberen und einem unteren Referenzwert, – fortlaufenden Vergleich der jeweils oberen bzw. unteren Referenzwerte mit den jeweils entsprechenden oberen bzw. unteren Signalspitzen des Ausgangssignals, – fortlaufendes Nachregeln eines Offsets des Ausgangssignals, wenn eine unsymmetrische Signallage festgestellt wird und – damit fortlaufender Ausgleich von Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals, wobei der Ausgleich der Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals durch gleichzeitiges, gleich schnelles und entgegengesetzt gerichtetes Nachführen der Referenzwerte an die oberen und unteren Signalspitzen erfolgt, wenn beide Referenzwerte zwischen den Signalspitzen oder beide Signalspitzen zwischen den Referenzwerten liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem sinusförmigen Ausgangssignal die Schaltpunkte auf die Nulldurchgänge des Ausgangssignals eingestellt werden.