DE19757593C1 - Schaltungsanordnung zum Auswerten des Signals eines Wirbelstromaufnehmers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Auswerten des von einem Wirbelstromaufnehmer ausgegebenen, amplituden­ modulierten Wechselspannungssignals, das der Hubstellung ei­ nes elektromechanischen Stellgerätes für ein Ein-/Auslaß­ ventil einer Brennkraftmaschine entspricht.

Die periodische Hubbewegung von elektromechanischen Stellge­ räten für Ein-/Auslaßventile von Brennkraftmaschinen muß ständig gemessen werden. Vorteilhaft können dazu Wirbelstrom­ aufnehmer eingesetzt werden. Das Wirbelstromprinzip beruht darauf, daß durch eine Spule ein relativ hochfrequenter Strom getrieben wird. Durch das Annähern eines elektrisch leitenden Gegenstands wird die Impedanz der Spule verändert. Dieser Ef­ fekt kann bei einem elektromechanischem Ventilantrieb dazu verwendet werden, die Stellung des Ventils zu bestimmen.

Zur Auswertung von Wirbelstromaufnehmern wird in bekannter Weise ein passiver Schwingkreis aufgebaut, der die Spule des Wirbelstromaufnehmers und eine Kapazität enthält. Die Ver­ stimmung dieses Schwingkreises durch den sich nähernden Lei­ ter wird dann ausgewertet. Üblicherweise erfaßt diese Auswer­ tung die Amplitudenänderung des Wechselspannungssignals. Da das elektromechanische Stellgerät des Ein-/Auslaßventils ein sehr starkes und schwankendes Magnetfeld erzeugt, wird das Wechselspannungssignal des Wirbelstromaufnehmers stark ge­ stört. Zur Auswertung solcher Signale ist die Lock-in-Technik bekannt (z. B. Fa. EG, Brookdale Electronics, Princeton, USA). Sie ermöglicht es, nur diejenigen Signalanteile, die mit einer festgelegten Frequenz moduliert sind, zu verstär­ ken, und alle anderen Anteile zu unterdrücken. Mit dieser Technik können stark verrauschte Spannungen bis etwa 10^-7 Volt gemessen werden. Lock-in-Verstärker sind jedoch aufgrund ihrer Größe und Kosten für den Einsatz in Kraftfahrzeugen nicht geeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich taugliche Schaltungsanordnung zur Auswertung des amplitudenmodulierten Wechselspannungs­ signals eines Wirbelstromaufnehmers zu schaffen, der die Hub­ stellung eines von einem elektromechanischen Stellgerät betä­ tigten Ein-/Auslaßventils einer Brennkraftmaschine erfaßt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das amplitudenmodulierte Wechselspannungssignal des Wirbelstrom­ aufnehmers mit einem Synchrongleichrichter gleichgerichtet, dem ein mittels eines Phasenregelkreises (phase-locked-loop, PLL) aus dem Wechselspannungssignal erzeugtes Steuersignal zugeführt wird. Der Einsatz des Synchrongleichrichters ge­ währleistet, daß bei der Gleichrichtung die Störungen den Po­ laritätswechsel nicht beeinflussen. Da die Störungen gegen­ über dem Wechselspannungssignal breitbandig sind, werden sie durch den Synchrongleichrichter stark unterdrückt. Der Pha­ senregelkreis erzeugt aus dem Wechselspannungssignal das weitgehend rauschfreie Steuersignal mit gleicher Frequenz und Phase. Er hat den Vorteil, daß er auf einen Frequenzbereich eingestellt werden kann, in dem er auch bis zu einem gewissen Grad Frequenz- und Phasenänderungen folgt. Durch diese Flexi­ bilität kann der Synchrongleichrichter Laufzeitänderungen des Eingangssignals nachgeführt werden, ohne daß er Störungen durchläßt. Ansonsten würden sich Veränderungen des Aufneh­ mers, die eine schwankende Signallaufzeit zur Folge haben, negativ auswirken. Solche Veränderungen können beispielsweise durch Alterung oder Temperatureinflüsse entstehen.

Synchrongleichrichter mit Ansteuerung durch einen Phasenre­ gelkreis sind an sich bekannt (U. Tietze, C. Schenk, Halblei­ ter-Schaltungstechnik, Springer, 1989, S. 961 oder P. Horo­ witz, W. Mill, The Art of Electronics, Cambridge University Press, 1989, S. 889). Durch Induktion der sich ändernden Ströme im elektromechanischen Stellgerät des Ein-/Auslaß­ ventils entstehen jedoch kurzzeitige Phasenverschiebungen, de­ nen der Phasenregelkreis nicht zu folgen vermag. Das hat eine Phasenverschiebung zwischen Steuersignal und gleichzurichten­ der Wechselspannung zur Folge. Der Einsatz des Spitzenwertde­ tektors nach dem Synchrongleichrichter schafft hinsichtlich dieser Phasendifferenzen die nötige Fehlertoleranz. Erfolgt nämlich der Polaritätswechsel im Synchrongleichrichter mit einer leichten Phasenverschiebung zum gleichzurichtenden Si­ gnal, so ändert sich zwar der Mittelwert, der üblicherweise nach der Gleichrichtung erfaßt wird, der Maximalwert bleibt jedoch unverändert. Durch den dem Synchrongleichrichter nach­ geschalteten Spitzenwertdetektor wird nur dieser Maximalwert erfaßt, der Fehlereinfluß der Phasendifferenzen zwischen Steuersignal und gleichzurichtendem Wechselspannungssignal ist eliminiert.

Weiter ist in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dem Synchrongleichrichter ein Offset-Verstärker nachgeschal­ tet. Der Hub des elektromechanischen Stellgerätes des Ein-/Auslaß­ ventils ändert die Amplitude des Wechselspannungs­ signals des Wirbelstromaufnehmers nur in einem gewissen Be­ reich, weshalb das gleichgerichtete Signal um einen gewissen Offset erhöht ist. Der nachgeschaltete Offset-Verstärker sub­ trahiert diesen Offset und verstärkt das Signal.

Weiter ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die Amplitude des Ausgangssignals so einstellbar, daß sie im nor­ malen Betrieb zwischen 1 und 4 Volt liegt. Ein Leitungsbruch des Wirbelstromaufnehmers oder ein Kurzschluß sind dann durch ein Signal zwischen 0 und 1 Volt bzw. an einem Signal über 4 Volt zu erkennen.

Weiter sind in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung der Schaltungsanordnung ausschließlich Komponenten mit unipo­ larer Betriebsspannung vorgesehen. Dies erleichtert den Ein­ bau in ein Fahrzeug, in dem üblicherweise Batteriespannung einer Polarität und Masse zur Verfügung steht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung,

Fig. 2 den Signalverlauf des Wechselspannungssignals U_W und des Steuersignals R, und

Fig. 3 Signalverläufe zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Spitzenwertdetektors.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 1 besteht aus einem Wirbel­ stromaufnehmer 1, einem Synchrongleichrichter 2, einem Pha­ senregelkreis 3 sowie einem Spitzenwertdetektor 4 und einem Offset-Verstärker 5. Der Wirbelstromaufnehmer 1 mißt die Hub­ stellung eines elektromechanischen Stellgerätes eines Ein-/Auslaß­ ventils einer Brennkraftmaschine. Somit liefert der Ausgang des Wirbelstromaufnehmers 1 ein amplitudenmoduliertes Wechselspannungssignal U_W, dessen Amplitude der Hubstellung des elektromechanischen Stellgerätes des Ein-/Auslaßventils der Brennkraftmaschine entspricht. Dem Wechselspannungssignal U_W ist als Rauschen eine Störung überlagert, die von der elektromechanischen Betätigung des Ein-/Auslaßventils oder von anderen Störquellen (Zündung, Lichtmaschine o. ä.) her­ rührt. Dieses amplitudenmodulierte Wechselspannungssignal U_W wird dem Synchrongleichrichter 2 zugeführt. Er richtet das stark verrauschte Wechselspannungssignal U_W gleich, wobei die Umpolung mit der Frequenz des dem Synchrongleichrichter 2 ebenfalls zugeführten Steuersignals R erfolgt.

Das Signal U_W wird im Synchrongleichrichter 2 gleichzeitig einem invertierenden Verstärker 6 und einem nichtinvertieren­ den Verstärker 7, die beide in diesem Beispiel Verstärkungs­ faktor 1 haben, zugeführt. Mit dem Steuersignal R wird ein Schalter 8 angesteuert, der zwischen dem Ausgang des nichtin­ vertierenden Verstärkers 7 und dem Ausgang des invertierenden Verstärkers 6 umschaltet.

In Fig. 2 ist dies anhand des Signalverlaufs verdeutlicht. Dem gleichzurichtenden Wechselspannungssignal U_W ist eine Störung S überlagert. Wesentlich für die Funktionsweise des Synchrongleichrichters ist, daß nicht der Null-Durchgang oder ein fester Pegel des gleichzurichtenden Signals U_W zum Pola­ ritätswechsel verwendet wird, wie das nach Kurve B z. B. bei einem Brückengleichrichter geschehen würde, sondern daß die Polarität extern durch das Steuersignal R umgeschaltet wird. Eine dem gleichzurichtenden Wechselspannungssignal U_W überla­ gerte Störung S, die zu einem Polaritätswechsel S führt, hat so keinen Einfluß auf die Gleichrichtung und wird dadurch ausgefiltert. Dies gilt besonders, wenn die Störung S gegen­ über der Frequenz des gleichzurichtenden Wechselspannungs­ signals U_W breitbandig ist.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird das zum Gleichrichten nötige Steuersignal R für den Synchrongleichrichter 2 mit Hilfe ei­ nes Phasenregelkreises 3 aus dem Wechselspannungssignal U_W selbst gewonnen. Der Phasenregelkreis 2 besteht aus einem Phasendetektor 9, einem Regler 10 und einem Nachlaufoszilla­ tor 11. Der Phasendetektor 9 vergleicht zwei ihm zugeführte Frequenzen, die des angelegten Wechselspannungssignals U_W und die Frequenz des rückgeführten Steuersignals R. Weicht die Frequenz von U_W von der des rückgeführten Signals R ab, er­ zeugt der Phasendetektor 9 die Regelabweichung U_R abhängig von der Phasendifferenz der Frequenzen. Diese Regelabweichung wird im Regler 10 aufbereitet und in eine Stellgröße U_F umge­ setzt, die die Ausgangsfrequenz des Nachlaufoszillators 11 regelt. Die Ausgangsfrequenz des Nachlaufoszillators 11 ist das Steuersignal R, das dem Phasendetektor 9 wieder rückge­ führt wird, sowie am Ausgang des Phasenregelkreises abgegrif­ fen und dem Synchrongleichrichter zugeführt wird. Der Phasen­ regelkreis 3 stellt somit die Frequenz des Steuersignals R so ein, daß sie mit der Frequenz des Wechselspannungssignals U_W übereinstimmt, und zwar genau so, daß die Schwingungen gleichphasig sind.

Somit erzeugt der Phasenregelkreis 3 in der Schaltungsanord­ nung der Fig. 1 aus dem stark verrauschten Wechselspannungs­ signal U_W ein weitgehend rauschfreies Steuersignal R gleicher Frequenz und Phase für den Synchrongleichrichter 2. Am Aus­ gang des Synchrongleichrichters 2 liegt die gleichgerichtete Spannung U_G an. Sie wird einem Spitzenwertdetektor 4 zuge­ führt, der aus der Reihenschaltung einer Diode 12 mit einem Tiefpaß 13 besteht. Am Ausgang des Spitzenwertdetektors 4 liegt somit der Maximalwert U_M des amplitudenmodulierten Wechselspannungssignals U_W an. Da dieses Signal einen Offset von über 1 Volt und einen Modulationsgrad von 0,025 bis 0,1 aufweist, wird es einem Offset-Verstärker 5 zugeführt, der diesen Offset subtrahiert und das Signal verstärkt.

Ein Problem des auszuwertenden, amplitudenmodulierten Wech­ selspannungssignal U_W des Wirbelstromaufnehmers 1 liegt dar­ in, daß die von der elektromechanischen Betätigung der Ein-/Auslaß­ ventile der Brennkraftmaschine herrührenden Störungen zu einer kurzzeitigen Phasenverschiebung des Wechselspan­ nungssignals U_W führen, der der Phasenregelkreis nicht zu folgen vermag. Anhand der Kurven der Fig. 3 wird im folgenden erläutert, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung den­ noch hinsichtlich solcher Phasenverschiebungen fehlertolerant ist.

Fig. 3 zeigt zwei Signalverläufe, nämlich das zur Veranschau­ lichung idealisiert rauschfrei dargestellte Wechselspannungs­ signal U_W und das Steuersignal R, wobei das Steuersignal R dem Wechselspannungssignal U_W um eine Phasenverschiebung nacheilt. Da das Steuersignal R die Schaltzeitpunkte angibt, zu denen die Eingangsspannung U_W invertiert wird, führt die Phasenverschiebung dazu, daß die Invertierung nicht im Null­ durchgang des Wechselspannungssignals U_W stattfindet, sondern schon vorher. Dies führt zum gestrichelten Kurvenverlauf U_G. Bei herkömmlicher Tiefpaßfilterung des gleichgerichteten Si­ gnals würde sich somit ein geringerer Ausgangswert als bei korrekter Phasenlage ergeben. Durch die dem Synchrongleich­ richter nachgeschaltete Spitzenwertdetektion wird dieses Pro­ blem der Phasenverschiebung gelöst, da sich der Maximalwert des gestrichelten Kurventeils U_G ja nicht ändert. Somit kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung durch die Kombinati­ on eines von einem Phasenregelkreis 3 angesteuerten Synchron­ gleichrichters 2 mit einem Spitzenwertdetektor 4 das Wech­ selspannungssignal U_W korrekt auswerten.

Claims (6)

1. l. Schaltungsanordnung zum Auswerten des von einem Wirbel­ stromaufnehmer (1) ausgegebenen, amplitudenmodulierten Wech­ selspannungssignals (U_W), das der Hubstellung eines elektro­ mechanischen Stellgerätes für ein Ein-/Auslaßventil einer Brennkraftmaschine entspricht, wobei dem Wechselspannungs­ signal (U_W) als Rauschen eine Störung (S) überlagert ist, die von der elektromechanischen Betätigung des Stellgerätes für das Ein-/Auslaßventil herrührt, mit:

   • a) einem Synchrongleichrichter (2), dem das Wechselspannungs­ signal (U_W) als gleichzurichtendes Signal und ein Steuer­ signal (R) zur Umschaltung des Synchrongleichrichters (2) zugeführt werden und
   • b) einem dem Synchrongleichrichter (2) nachgeschalteten Spit­ zenwertdetektor (4), dessen Ausgangssignal (U_M) der Hub­ stellung des Stellgerätes für das Ein-/Auslaßventil ent­ spricht.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Phasenregelkreis (3), der aus dem Wechselspannungs­ signal (U_W) des Wirbelstromaufnehmers (1) das Steuersignal (R) für den Synchrongleichrichter (2) erzeugt, wobei die Fre­ quenz des Steuersignals (R) gleich der Frequenz des Wechsels­ pannungssignals (U_W) ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (4) aus einer Reihenschaltung einer Diode (12) mit einem Tiefpaß (13) besteht.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Offset-Verstärker (5), dem das Ausgangssignal (U_M) des Spitzenwertdetektors (4) zugeführt wird und von dem ein vor­ bestimmter Offset abgezogen und das Signal verstärkt wird.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignals so einstellbar ist, daß sie im normalen Betrieb zwischen ei­ nem oberen und einem unteren Schwellwert, bei Leitungsbruch im Wirbelstromaufnehmer (1) bzw. bei Kurzschluß im Wirbel­ stromaufnehmer (1) unter bzw. über dem unteren bzw. oberen Schwellwert liegt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich Komponenten mit unipolarer Betriebsspannung vorgesehen sind.