DE19738050A1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen und Auswerten des Meßsignals eines Positionssensors - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Erzeugen und Auswerten des Meßsignals eines Positionssensors

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Solche Posi­ tionssensoren sind in Form von Dreh- oder Schleif-Widerstän­ den, von variablen Spannungsteilern, Potentiometern oder dergl. ausgebildet.
Für Regelungs- und Steuerungssysteme werden häufig variable Spannungsteiler als Positionsgeber oder Wegmeßeinrichtungen benötigt. Beispielsweise werden Schiebepotentiometer zur Positionserkennung eines Bremspedals verwendet, um Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungsinformationen zu gewinnen. Das Schleiferpotential am Schiebepotentiometer repräsentiert dabei die Stellung des Bremspedals. Fehlinfor­ mationen durch überhöhte Kontakt- oder Übergangswiderstände zwischen dem Schleifer bzw. dem Abgriff und dem Potentio­ meter, Nebenschlußwiderstände oder ein Bruch des Abgriff­ elementes führen zu falschen Informationen, die bei Brems­ anlagen sogar sicherheitskritische Situationen zur Folge haben können.
Die herkömmliche Methode, Störungen vom Nutzsignal zu tren­ nen, besteht darin, das Signal zu filtern und anhand des dynamischen Verhaltens die Störungen zu erkennen. Nachteilig ist hierbei, daß in manchen Situationen Nutz- und Störsignal nicht eindeutig voneinander zu trennen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zum Auswerten des Meßsignals eines Positions­ sensors zu entwickeln, mit der auf relativ einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit Nutz- und Störsignale vonein­ ander zu trennen sind und mit der insbesondere auch Störun­ gen, die z. B. auf hohe oder schwankende Übergangswiderstände zwischen dem Schleifer und dem Widerstandskörper oder auf ein (kurzzeitiges) Abheben des Schleifers oder Abgriffele­ mentes zurückgehen, erkannt werden können.
Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe mit der im Anspruch 1 beschriebenen Schaltungsanordnung gelöst werden kann, deren Besonderheit darin besteht, daß der Positions­ sensor zur Erzeugung eines Nutzsignals und eines Prüf- oder Plausibilitätssignals mit konstantem Strom betrieben wird, wobei mindestens eine Konstantstromquelle sowie Subtrahierer und/oder Addierer derart angeschlossen sind, daß die über den Teilwiderständen des Positionssensors und über den Übergangswiderstand zwischen dem Abgriff und dem Wider­ standskörper hervorgerufenen Spannungsabfälle bzw. Teilspannungen erfaßt werden und ein von der Position des Abgriffes abhängiges, von dem Übergangswiderstand unabhängi­ ges Nutzsignal und ein nur oder im wesentlichen von dem Übergangswiderstand abhängiges Prüf- oder Plausibilitäts­ signals entstehen.
Da sich bei solchen Potentiometern oder Positionssensoren der Übergangswiderstand zwischen dem Widerstandskörper und dem Abgriff häufig in undefinierter Weise in relativ weiten Grenzen ändert, was in der Praxis eine Fehlerquelle erster Art darstellt, wird erfindungsgemäß ein Prüfsignal oder Plausibilitätssignal gewonnen, das ausschließlich oder über­ wiegend von der Höhe dieses Übergangswiderstandes abhängig ist. Beispielsweise kann man dann von dem Vorliegen eines Fehlers ausgehen, wenn dieses Prüfsignal oder Prüfpotential einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Andere Plausibi­ litätsüberlegungen auf Basis dieses Prüfsignals sind eben­ falls möglich, um Rückschlüsse auf den Zustand des Positionssensors oder der gesamten Meßschaltung treffen zu können.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei Konstantstromquellen vorgesehen, die jeweils einen über einen der beiden Teilwiderstände und über den gemein­ samen Abgriff fließenden Strom hervorrufen, wobei zur Gewin­ nung des Nutzsignals und des Prüfsignals die am Eingangs­ anschluß und am Ausgangsanschluß des Widerstandskörpers herrschenden Spannungspotentiale verglichen und ausgewertet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung besteht darin, daß diese derart ausgelegt ist, daß die Differenz der Potentiale an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Widerstandskörpers das Nutzsignal ergibt, während die Summe dieser Potentiale unmittelbar dem Übergangswiderstand zwischen dem Abgriff und dem Wider­ standskörper proportional ist und sich daher als Prüfsignal ideal eignet.
Wie aus dem folgenden zu sehen ist, genügt in anderen Aus­ führungsvarianten eine einzige Konstantstromquelle zur Ge­ winnung des Nutzsignals und des Prüf- oder Plausibilitäts­ signals.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefüg­ ten Abbildungen hervor.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Art, die mit zwei Konstantstromquellen betrieben wird, und
Fig. 2 eine im Vergleich zu Fig. 1 vereinfachte Schaltungs­ anordnung zum Gewinnen und Auswerten des Positions­ sensorsignals.
Den grundsätzlichen Aufbau und die Arbeitsweise einer Schal­ tungsanordnung der erfindungsgemäßen Art veranschaulicht Fig. 1. Es handelt sich um eine Schaltungsanordnung, die z. B. zum Erkennen und Auswerten der Abgriff- oder Schleifer­ position eines Schleif- oder Drehpotentiometers geeignet ist.
Das Ersatzbild des Potentiometers oder des Positionssensors ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Ein solches Potentiometer besteht im wesentlichen aus einem Widerstandskörper wird, der durch einen Abgriff 2, 2' gewissermaßen in einen Span­ nungsteiler aus zwei hintereinandergeschalteten ohmschen Widerständen RO und RU (oben, unten) unterteilt wird. Die Summe der beiden Widerstände RO + RU ist natürlich konstant, die Aufteilung dagegen abhängig von der Position des Schie­ bers oder Abgriffs 2'. Mit RS ist der Schleifer- oder Über­ gangswiderstand zwischen dem Abgriff 2, 2' und dem Wider­ standskörper 3, auf dem der Schleifkontakt verschiebbar ist, symbolisiert. Dieser Übergangswiderstand kann selbst bei relativ hochwertigen Potentiometern in Abhängigkeit von Fer­ tigungstoleranzen, Alterung, Verschmutzung, mechanischen Erschütterungen usw. in weiten Grenzen von z. B. nahezu 0 und einigen Kilo-Ohm variieren.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird nun mit den Konstantströmen I1, I2 betrieben, die von Konstantstromquel­ len Q1, Q2 geliefert werden. In einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sind Stromquellen mit einem Nennstrom von 100 µA vorgesehen.
Die Potentiale am Eingangsanschluß E1 und am Ausgangs­ anschluß A1 des Widerstandskörpers 3 (RO + RU) des Sensors 1 werden im Beispiel nach Fig. 1 mit Hilfe eines Subtrahierers 4 und eines Addierers 5 verglichen. Am Ausgang des Subtra­ hierers 4 steht dann das Nutzsignal UN, am Ausgang des Addie­ rers 5 das Prüfsignal oder Plausibilitätssignal UP zur Verfü­ gung. Das Nutzsignal UN ist abhängig von der Aufteilung des Widerstandes RO + RU durch die Position des Abgriffes 2' am Widerstandkörper 3; die Aufteilung wird durch in hier durch einen Faktor α erfaßt. Das Prüfsignal oder Plausibilitäts­ signal UP wird dagegen - wie die folgenden Berechnungen zei­ gen, vorwiegend oder ausschließlich von der Größe des Über­ gangswiderstandes RS bestimmt.
Für die Strom- und Potentialverhältnisse im Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 gelten folgende Gleichungen:
Potentiometerteilwiderstände RU, RO in Abhängigkeit der Schleiferstellung α(0. . .1):
RU = Runten = R.α; RO = Roben = R.(1-α).
RS ist der Übergangswiderstand zwischen dem Abgriff 2 und dem Widerstandskörper 3 des Potentiometers 1.
Gleichungen für die Teilspannungen:
U1 = I1.[R.(1-α)] + RS.(I1 + I2)
U2 = I2.[R.α)] + RS.(I1 + I2).
Sonderfall a):
I1 = I2 = I.
Teilspannungen:
U1= I.[R.(1-α) + RS.2.I
U2= I.[R.α] + RS.2.I.
Fehlerüberprüfung (Prüf- oder Plausibilitätssignal UP):
U1 + U2 = I.[R.(1-α) + R.α] + RS.4.I
= I.R + 4.I.RS
wenn RS = 0 dann gilt U1 + U2 = I.R,
wenn RS ≠ 0 dann gilt U1 + U2 < I.R.
Auswertung (Nutzsignal UN):
U2 - U1 = I.[R.α - R.(1-α)] = I.R.(2α-1)
Sonderfall b):
I1 = 0
I2 = I.
Teilspannungen:
U1 = RS.1
U2 = I.[R.α] + RS.1.
Fehlerüberprüfung (Prüf- oder Plausibilitätssignal UP):
U1 = RS.1
Auswertung (Nutzsignal UN)
U2 - U1 = I.[R.α].
In Fig. 2 ist ein Beispiel für den vorgenannten Sonderfall b) (I1 = 0) wiedergegeben. In dieser Variante der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der nur eine einzige Konstantstromquelle Q3 verwendet wird, läßt sich durch Ein­ speisen eines konstanten Stromes I3 in den Schleiferzweig des Positionssensors 1' nämlich in den Anschluß A2, der zu dem Abgriff 2, 2' führt, eine Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erreichen. Es gelten ergeben dann folgende Gleichungen:
Teilspannungen
U3 = I3.[R.α]
U4 = I3.[R.α] + RS.1.
Fehlerüberprüfung (Prüf- oder Plausibilitätssignal UP):
U4 - U3 = RS.I3.
Auswertung (Nutzsignal UN):
U4 = I3.[R.α].
In allen drei Fällen ergibt sich eine Funktion, die linear von der Schleiferstellung abhängig ist (keine Korrektur der Kennlinie wird benötigt).
Das Prüfsignal oder Plausibilitätssignal UP = f(RS) wird in diesem Fall durch einen Subtrahierer 6 gewonnen, dessen Ausgangssignal UP wiederum ein ausschließlich von dem Übergangswiderstand RS und dem eingeprägten Strom I3 abhängi­ ges Signal liefert. Es gilt die Beziehung:
U4 - U3 = RS.I3.
In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen wird also einerseits ein von der Teilung des Positionssensorwiderstan­ des R und dem Teilungsfaktor α abhängiges Nutzsignal UN und andererseits ein ausschließlich oder im wesentlichen von dem Übergangswiderstand RS zwischen dem Abgriff und dem Widerstandskörper 3 bestimmtes Prüf- oder Plausibilitäts­ signal UP gewonnen. Im Gegensatz zu bekannten Schaltungen kann man nunmehr eine Änderung des Übergangswiderstandes in relativ weiten Grenzen tolerieren. Die Überschreitung eines Grenzwertes, der auf eine Unterbrechung der galvanischen Verbindung zum Abgriff 2 oder zwischen dem Abgriff und dem Widerstandskörper 3 hinweist oder ein hoher Wert, der eine Auswertung des Signals erschwert, wird signalisiert (UP) und zur Fehlererkennung ausgewertet. Die Auswertung des Nutz­ signals (UN) wird in diesen Fällen unterbunden.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen und Auswerten des Meß­ signals eines Positionssensors, der im wesentlichen aus einem Widerstandskörper besteht, der durch einen ver­ stellbaren Abgriff in Teilwiderstände unterteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (1, 1') zur Erzeugung eines Nutzsignals (UN) und eines Prüf- oder Plausibilitätssignals (UP) mit konstantem Strom (I1, I2, I3) betrieben wird, wobei mindestens eine Kon­ stantstromquelle (Q1, Q2, Q3) sowie Subtrahierer und/oder Addierer (4, 5, 6) derart angeschlossen sind, daß die über den Teilwiderständen (RO, RU) des Positionssensors (1) und über den Übergangswiderstand (RS) zwischen dem Ab­ griff (2) und dem Widerstandskörper (3) hervorgerufenen Spannungsabfälle bzw. Teilspannungen (U1, U2, U3) erfaßt werden und ein von der Position des Abgriffes (2) abhän­ giger, von dem Übergangswiderstand (RS) unabhängiges Nutzsignal (UN) und ein nur oder im wesentlichen von dem Übergangswiderstand (RS) abhängiges Prüf- oder Plausibi­ litätssignals (UP) entstehen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Konstantstromquellen (Q1, Q2) vorgesehen sind, die jeweils einen über einen der bei­ den, von der Position des Abgriffs abhängigen Teilwider­ stände (RO, RU) und über den gemeinsamen Abgriff (2, RS) fließenden Strom hervorrufen, und daß zur Gewinnung des Nutzsignals (UN) und des Prüf- oder Plausibilitätssignals (UP) die am Eingangsanschluß (E1) und Ausgangsanschluß (A1) des Widerstandskörpers (3) herrschenden Spannungs­ potentiale (U1, U2) verglichen und ausgewertet werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Gewinnen des Nutzsignals (UN) die Po­ tentialdifferenz (U2 - U1) und zum Gewinnen des Prüf- oder Plausibilitätssignals (UP) die Potentialsummen (U1 + U2) gebildet und ausgewertet werden.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur eine Konstantstromquelle (Q3) vorgese­ hen ist, die einen über einen Teilwiderstand (RU) des Positionssensors (1) und über den Übergangswiderstand (RS) des Abgriffs (2) fließenden Strom (I3) hervorruft.
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