DE19855358A1 - Path-measuring device, especially for brake pedal movement in vehicle has at least one analog sensor and at least one incremental sensor to output analog and pulse train signals of path, respectively - Google Patents
Path-measuring device, especially for brake pedal movement in vehicle has at least one analog sensor and at least one incremental sensor to output analog and pulse train signals of path, respectivelyInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Wegstrecke, insbesondere eines Bremspedalweges bei einem Kraftfahrzeug.The present invention relates to a device and a Method for determining a distance, in particular a brake pedal travel in a motor vehicle.
Wegsensoren werden beispielsweise bei elektrohydraulischen Bremsen für die Erfassung eines Bremspedalweges benötigt. Aus einem Wegsignal wird üblicherweise unter Berücksichtigung eines Hauptzylinderdrucksignals und eines Bremslichtschaltersignals ein Fahrerbremswunsch errechnet, und entweder als Sollbremsdruck oder als Soll- Fahrzeugverzögerung an die Stellglieder der Bremse weitergegeben und dort eingeregelt. Diese Bremswunscherfassung ist stark sicherheitsrelevant, und erfordert daher eine hohe Zuverlässigkeit des verwendeten Wegsensors.Displacement sensors are used for example in electrohydraulic Brakes required for the detection of a brake pedal travel. A path signal is usually under Taking into account a master cylinder pressure signal and one Brake light switch signal calculates a driver brake request, and either as a target brake pressure or as a target Vehicle deceleration to the actuators of the brake passed on and settled there. This Brake request detection is very safety-relevant, and therefore requires high reliability of the used Displacement sensor.
Wegsensoren erfassen Wegpositionen üblicherweise über Schleifkontakte verwendende oder auch kontakt- und berührungslose Meßverfahren. Gebräuchliche Wegsensor-Typen sind beispielsweise induktiv arbeitende Tauchankersysteme, insbesondere Differentialtransformatoren. Auch potentiometrische Sensoren oder Hallsensoren in Verbindung mit Permanentmagneten werden vielfach verwendet. Als inkrementelle Sensoren, welche als Signal eine Impulsfolge ausgeben, sind insbesondere Sensoren mit optischer Abtastung oder magnetischer Abtastung, insbesondere Hall- oder AMR-Elemente, einsetzbar. Auch digitale Wegsensoren mit absolut kodierten Maßstäben (optisch oder magnetisch) finden vielfach Verwendung. Nachteilig bei herkömmlichen Wegsensoren ist, daß diese nicht auf die Belange von Wegmessungen in sicherheitsrelevanten Systemen zugeschnitten sind. Die beispielsweise für Sensoren zur Erfassung des Bremspedalweges bei elektrohydraulischen Bremsen erforderliche Zuverlässigkeit und Genauigkeit ist nur mit sehr aufwendigen Sensoranordnungen bzw. Signalverarbeitungsschaltungen möglich.Displacement sensors usually record displacement positions via Sliding contacts using or also contact and non-contact measuring methods. Common types of displacement sensors are, for example, inductive plunger anchor systems, especially differential transformers. Also potentiometric sensors or Hall sensors in connection with permanent magnets are widely used. As incremental sensors, which as a signal a pulse train output, in particular sensors with optical Scanning or magnetic scanning, in particular Hall or AMR elements can be used. Also digital displacement sensors with absolutely coded standards (optical or magnetic) are widely used. A disadvantage of conventional ones Path sensors is that these are not on the concerns of Path measurements in safety-relevant systems are tailored. For example, for sensors Detection of the brake pedal travel in electrohydraulic Braking is required reliability and accuracy only with very complex sensor arrangements or Signal processing circuits possible.
Aus der DE-OS 196 25 058 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate mit einem ersten Sensorsystem, das ein von der Drehrate abhängiges Signal abgibt und nach einem ersten Meßprinzip arbeitet, mit Signalauswertmitteln, die aus dem zugeführten Signal die Drehrate ermitteln, bekannt, wobei zusätzlich ein zweites Sensorsystem vorgesehen ist, das ein von der Drehrate abhängiges Signal abgibt und nach einem zweiten Meßprinzip arbeitet, wobei die Signale des zweiten Sensorsystems den Signalauswertemitteln zugeführt werden und bei der Ermittlung der Drehrate mit berücksichtigt werden. Als erstes Sensorsystem ist hierbei ein elektronischer Kompaß, der ein Ausgangssignal liefert, das vom Erdmagnetfeld abhängig ist, und als zweites Sensorsystem eine schwingende Struktur vorgesehen, die ein von der Corioliskraft abhängiges Signal liefert.From DE-OS 196 25 058 a device for Determination of a rotation rate with a first sensor system, which emits a signal dependent on the rotation rate and after a first measuring principle works with signal evaluation means, determine the yaw rate from the supplied signal, known, in addition a second sensor system it is provided that a signal dependent on the rotation rate emits and works on a second measuring principle, wherein the signals of the second sensor system Signal evaluation means are supplied and at the Determination of the rotation rate should also be taken into account. As the first sensor system is an electronic compass, which provides an output signal from the earth's magnetic field is dependent, and as a second sensor system an oscillating Structure provided by a Coriolis force dependent signal delivers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Meßvorrichtung, mit der eine Wegstrecke, insbesondere ein Bremspedalweg bei einem Kraftfahrzeug, in einfacher und zuverlässiger Weise angebbar ist.The object of the present invention is to provide a measuring device with which a distance, in particular a brake pedal travel in a motor vehicle, in simple and can be specified reliably.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Wegstrecke mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Wegstrecke mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.This object is achieved by a device for Determination of a route with the characteristics of Claim 1 and by a method for determination a route with the features of claim 10.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß besonders zuverlässige und genaue Messungen durchgeführt werden können. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig herstellbar ist, sowie die Tatsache, daß Plausibilitätsuntersuchungen ohne großen Aufwand möglich sind und ein quasi-redundantes System zur Verfügung steht, da bei Ausfall eines Signals stets ein weiteres Signal zur Verfügung steht. Erzielt werden diese Vorteile dadurch, daß eine Kombination von zwei unabhängigen Sensoreinheiten zur Messung von Wegstrecken zu einem einzigen System durchgeführt wird, wobei die Kombination so erfolgt, daß die Nachteile der Einzelsysteme minimiert und die jeweiligen Vorzüge der Einzelsysteme wirksam werden. Die Ausgangssignale beider Sensorsysteme werden miteinander rechnerisch verknüpft, wobei die Verknüpfung in entsprechenden Signalauswertemitteln erfolgt, die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung genügt sowohl aus fertigungstechnischer als auch funktioneller Sicht den strengen Anforderungen an einen Pedalwegsensor.The device according to the invention has the advantage that performed particularly reliable and accurate measurements can be. It is particularly advantageous that the the device according to the invention is inexpensive to produce, as well as the fact that plausibility studies without great effort is possible and a quasi-redundant System is available because if a signal fails Another signal is always available. Achieved are these advantages in that a combination of two independent sensor units for measuring Routes to a single system is performed the combination is such that the disadvantages of Individual systems minimized and the respective advantages of Individual systems become effective. The output signals of both Sensor systems are linked to each other mathematically, being the link in corresponding Signal evaluation means is carried out, for example, as Microprocessor are trained. The invention Device is sufficient both from a manufacturing point of view from a functional point of view, too a pedal travel sensor.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention Apparatus and the method according to the invention Subject of the subclaims.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese zwei analog arbeitende Sensoren und/oder zwei inkrementell arbeitende Sensoren auf. Hiermit ist eine Redundanz zur Verfügung gestellt, welche auch bei Ausfall eines analog arbeitenden oder inkrementell arbeitenden Sensors eine rechnerische Verknüpfung eines Analogsignals und eines Impulsfolgensignals ermöglicht. Ferner können beispielsweise die beiden Impulsfolgensignale zum Erhalt eines eine höhere Auflösung aufweisenden Signals miteinander kombiniert werden.According to a preferred embodiment of the invention The device has two analog sensors and / or two incrementally operating sensors. Herewith redundancy is provided, which also applies to Failure of an analog working or incremental working sensor a mathematical link of a Analog signal and a pulse train signal allows. Furthermore, the two pulse train signals, for example to obtain a signal with a higher resolution can be combined with each other.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der wenigstens eine analog arbeitende Sensor als ein mit einem Stabmagneten zusammenwirkendes Hall- Element ausgebildet. Derartige Sensoren sind sehr preiswert verfügbar und liefern zuverlässige und genaue Meßergebnisse. Ferner bauen Hall-Elemente sehr klein. Es wäre beispielsweise ebenso möglich, AMR-Sensoren (Anistotropic Magnetoresistance) zu verwenden.According to a preferred embodiment of the present Invention is the at least one analog working sensor as a Hall interacting with a bar magnet Element trained. Such sensors are very inexpensive available and deliver reliable and accurate Measurement results. Furthermore, Hall elements build very small. It would also be possible, for example, AMR sensors (Anistotropic Magnetoresistance) to use.
Es ist ferner bevorzugt, daß der wenigstens eine inkrementell arbeitende Sensor als ein mit einer Reihe magnetischer Polwechsel zusammenwirkender Hall-Schalter ausgebildet ist. In dieser Weise ausgebildete Sensoren bauen ebenfalls klein und erweisen sich in der Praxis als sehr zuverlässig.It is further preferred that the at least one incremental sensor as one with a row magnetic pole change interacting Hall switch is trained. Sensors designed in this way also build small and prove themselves in practice very reliable.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine inkrementell arbeitende Sensor als optisch inkrementelles Sensorsystem ausgebildet. Mit einem derartigen Sensorsystem können besonders hohe Auflösungen erreicht werden.According to a further preferred embodiment, the at least one incrementally working sensor as optical incremental sensor system. With a Such a sensor system can have particularly high resolutions can be achieved.
Zweckmäßigerweise ist der inkrementell arbeitende Sensor mit Mitteln zur Feststellung und/oder Erkennung einer Indexmarke, bezüglich welcher das Impulsfolgensignal definierbar ist, ausgebildet. Mittels einer derartigen Indexmarke ist eine besonders zuverlässige und genaue Messung eines Weges auf der Grundlage des Impulsfolgensignals angebbar. Ferner ist auch das Analogsignal in Bezug auf eine derartige Indexmarke definierbar.The incremental sensor is expedient with means for the detection and / or detection of a Index mark with respect to which the pulse train signal is definable, trained. By means of such a Index mark is a particularly reliable and accurate Measuring a path based on the Pulse train signal can be specified. Furthermore, that is also Analog signal in relation to such an index mark definable.
Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur Festlegung und Erkennung einer Indexmarke als ein mit einem magnetischen Polwechsel zusammenwirkender Hall-Schalter oder als optisch-inkrementelles Sensorsystem ausgebildet.Appropriately, the means to determine and Detection of an index mark as one with a magnetic Pole changing Hall switch or as optically incremental sensor system.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Stabmagneten und die Polwechsel an einer Kolbenstange, insbesondere einer Druckstange eines Hauptbremszylinders des Kraftfahrzeugs, und die Hall- Elemente und Hall-Schalter an einem die Kolbenstange umgebenden Gehäuse angebracht. Hiermit ist eine besonders kompakt bauende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar. According to a preferred embodiment of the invention Device are the bar magnets and the pole change on a piston rod, in particular a push rod Master brake cylinder of the motor vehicle, and the Hall Elements and Hall switches on a the piston rod surrounding housing attached. This is a special one compact design embodiment of the invention Device achievable.
Es wird bevorzugt, daß die inkrementell arbeitenden Sensoren so angeordnet sind, daß sie um 90° zueinander phasenverschobene Signalverläufe liefern. Derartige Signalverläufe sind in einfacher Weise rechnerisch zur Erzielung einer genauen Wegauflösung verarbeitbar.It is preferred that the incremental ones Sensors are arranged so that they are 90 ° to each other deliver phase-shifted waveforms. Such Waveforms are calculated in a simple manner Achieving an exact path resolution processable.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wenigstens eine Analogsignal mittels des wenigstens einen Impulsfolgensignals kalibriert, wobei die Werte des Analogsignals jeweils Werten des Impulsfolgensignals zugeordnet werden.According to a preferred embodiment of the invention The method uses at least one analog signal calibrated the at least one pulse train signal, wherein the values of the analog signal are values of the Pulse train signal can be assigned.
Zweckmäßigerweise wird aus einer Abweichung zwischen den Werten des Analogsignals und des Impulsfolgensignals ein Korrekturwert für das Analogsignal ermittelt.A deviation between the Values of the analog signal and the pulse train signal Correction value for the analog signal determined.
Zweckmäßigerweise erfolgt die In-Beziehung-Setzung von Analogsignal und Impulsfolgensignal unter Berücksichtigung einer Indexmarke des inkrementellen Signals.It is expedient to relate Analog signal and pulse train signal taking into account an index mark of the incremental signal.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei um 90° zueinander phasenverschobene inkrementelle Signale ermittelt, wobei auf der Grundlage dieser Signale ein Quadratursignal ermittelt wird. Ein Quadratursignal weist eine höhere Auflösung als die einzelnen inkrementellen Signale auf, so daß auf seiner Grundlage sehr genaue Wegbestimmungen möglich sind.According to an advantageous embodiment of the inventive method two are at 90 ° to each other phase-shifted incremental signals determined, wherein based on these signals a quadrature signal is determined. A quadrature signal has a higher one Resolution than the individual incremental signals, so that on the basis of very precise path determinations possible are.
Zweckmäßigerweise wird nach einem Einschalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis zur Erkennung der Indexmarke der zu messende Weg auf der Grundlage der Analogsignale ermittelt. Durch diese Maßnahme wird beispielsweise berücksichtigt, daß nach Einschalten der Zündung eines Kraftfahrzeuges das Bremspedal bereits betätigt sein kann, so daß es eine Sicherheitsmaßnahme darstellt, das inkrementelle Signal bis zur erstmaligen Erkennung der Indexmarke nicht zu verwenden bzw. als ungültig anzusehen.Appropriately after switching on the device according to the invention until the detection of Index mark the path to be measured based on the Analog signals determined. This measure will for example, takes into account that after switching on the Ignition of a motor vehicle the brake pedal already can be operated, making it a safety measure represents the incremental signal until the first time Detection of the index mark not to be used or as to look invalid.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert.A preferred embodiment of the invention The device and the method according to the invention will now explained in detail with reference to the accompanying drawing.
In dieser zeigtIn this shows
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung eines Weges, Fig. 1 is a side sectional view of a preferred embodiment of the inventive apparatus for measuring a path,
Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie I-I, Fig. 2 is a sectional view of the device of FIG. 1 along the line II,
Fig. 3 bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretende Signale bzw. Signalverläufe. Fig. 3 occurring in a preferred embodiment of the method signals or waveforms.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Gehäuse einer Kolbenstange 6, insbesondere einer Druckstange eines Hauptbremszylinders eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die Kolbenstange 6 ist entsprechend einer Betätigung eines (nicht dargestellten) Bremspedals innerhalb des Gehäuses 1 verschiebbar. In Figs. 1 and 2, the housing of a piston rod 6, in particular a push rod of a master cylinder of a motor vehicle shown having 1. The piston rod 6 is displaceable within the housing 1 in accordance with an actuation of a brake pedal (not shown).
Zur Erfassung der Position des Kolbens 6 innerhalb des Gehäuses 1 sind gemäß der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform verschiedene Sensorsysteme vorgesehen. Ein erstes Sensorsystem besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei analog arbeitenden Hall-Elementen 2, 4, die durch Zusammenwirken mit zwei stabförmigen Magneten 3 und 5 zwei analoge Ausgangssignale liefern. Die Hall-Elemente 2, 4 sind hierbei in das Gehäuse 1, und die stabförmigen Magneten 3, 5 in die Kolbenstange 6 integriert. Prinzipiell sind Empfindlichkeit und Linearität einer solchen Anordnung nach einer Anpassung von Magnetabmessungen und Hallparametern an den zu messenden Weg für die gestellten Anforderungen beispielsweise bei einer elektrohydraulischen Bremse geeignet. Die Magnete 3, 5 sind derart in die Kolbenstange 6 eingebaut, daß sich ihre gleichnamigen Pole, im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft die Südpole S, stirnseitig berühren. Durch die entsprechende Anordnung der analog arbeitenden Hall-Elemente 2, 4 entstehen bei Verschiebung der Kolbenstange 6 zwei gegenläufige Signalspannungsverläufe U2, U4, wie sie prinzipiell in Fig. 3, unten, dargestellt sind. Zweckmäßigerweise weisen die Hall-Elemente einen internen Verstärker auf, der so ausgelegt ist, daß die Signalspannungen in Verbindung mit preiswerten Alnico-Magneten im Bereich zwischen 1 Volt und 4 Volt liegen, so daß eine weitere Verstärkung der Ausgangssignale der Hallsensoren nicht erforderlich ist. Die Einzellänge der stabförmigen Magnete 3, 5 ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie größer ist als der maximal zu messende Weg der Kolbenstange 6 (Bremspedalweg). Various sensor systems are provided for detecting the position of the piston 6 within the housing 1 in accordance with the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. In the exemplary embodiment shown, a first sensor system consists of two analog Hall elements 2 , 4 which, by interacting with two rod-shaped magnets 3 and 5, deliver two analog output signals. The Hall elements 2 , 4 are in this case integrated in the housing 1 , and the rod-shaped magnets 3 , 5 in the piston rod 6 . In principle, the sensitivity and linearity of such an arrangement after adapting the magnet dimensions and Hall parameters to the path to be measured are suitable for the requirements, for example in the case of an electro-hydraulic brake. The magnets 3 , 5 are installed in the piston rod 6 in such a way that their poles of the same name, for example the south poles S in the exemplary embodiment shown, touch on the end face. Due to the corresponding arrangement of the analog Hall elements 2 , 4 , when the piston rod 6 is displaced, two opposing signal voltage profiles U2, U4 arise, as are shown in principle in FIG. 3, below. The Hall elements expediently have an internal amplifier which is designed such that the signal voltages in connection with inexpensive Alnico magnets are in the range between 1 volt and 4 volts, so that a further amplification of the output signals of the Hall sensors is not necessary. The individual length of the rod-shaped magnets 3 , 5 is expediently chosen such that it is greater than the maximum travel of the piston rod 6 (brake pedal travel).
Ein weiteres Sensorsystem ist im Unterschied zum ersten Sensorsystem als inkrementelles System ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das zweite Sensorsystem aus Hall-Schaltern 7, 8, welche mit einer Reihe von magnetischen Polwechseln 10 zusammenwirken. Die Polwechsel 10 sind, analog zu den zwei stabförmigen Magneten 3, 5 des Gehäuses 1, integraler Bestandteil der Kolbenstange 6. Sie sind vorzugsweise aus magnetisierbaren Kunststoffen hergestellt und als Streifen in die Kolbenstange 6 eingesetzt. Die Hall-Schalter 7 und 8 sind so angeordnet, daß sie in Verbindung mit der Reihe von magnetischen Polwechseln 10 zwei rechteckförmige Signalverläufe A, B liefern, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, wie dies in Fig. 3, oben, dargestellt ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der geometrische Abstand der magnetischen Zentren der Hall-Schalter 7, 8 ein n.(0,5.a)-faches des Abstandes der magnetischen Polmitten beträgt (hierbei ist n eine ganze Zahl und a die Breite eines Polwechsels bzw. der Abstand der Polmitten). Es ist beispielsweise möglich, Polwechsel mit Mittenabständen von 1 mm herzustellen, so daß in einem solchen Falle beispielsweise der Abstand der Zentren der zwei Hall-Schalter 7, 8 4,5 mm betragen kann. Mittels eines derartigen um 90° bzw. π/2 phasenverschobenen Rechtecksignals kann (unter Ausnutzung bekannter Auswertetechniken) von einem Mikrokontroller 13 eine Erkennung der Bewegungsrichtung der Kolbenstange 6 durchgeführt werden. Wertet man zusätzlich die An- und Abstiegsflanken der zwei Rechteck-Impulsfolgen aus, erhält man pro Polwechsel vier Impulse (Quadratur). Es ist also bei einem Polabstand von beispielsweise 1 mm eine Wegauflösung von 0,25 mm erzielbar. Das Quadratur-Signal Q, wie es von dem Mikrokontroller 13 generiert und ausgewertet wird, ist in Fig. 4, Zeile 3, dargestellt.In contrast to the first sensor system, another sensor system is designed as an incremental system. In the exemplary embodiment shown, the second sensor system consists of Hall switches 7 , 8 , which interact with a series of magnetic pole changes 10 . Analogous to the two rod-shaped magnets 3 , 5 of the housing 1 , the pole changes 10 are an integral part of the piston rod 6 . They are preferably made of magnetizable plastics and used as strips in the piston rod 6 . The Hall switches 7 and 8 are arranged in such a way that, in conjunction with the series of magnetic pole changes 10 , they deliver two rectangular signal profiles A, B which are phase-shifted with respect to one another by 90 °, as shown in FIG. 3, above. This is achieved, for example, in that the geometric spacing of the magnetic centers of the Hall switches 7 , 8 is an n. (0.5.a) times the spacing of the magnetic pole centers (n is an integer and a is the width of one) Pole change or the distance between the pole centers). For example, it is possible to produce pole changes with center distances of 1 mm, so that in such a case the distance between the centers of the two Hall switches 7, 8 can be 4.5 mm. By means of such a square-wave signal that is phase-shifted by 90 ° or π / 2, a microcontroller 13 can be used to detect the direction of movement of the piston rod 6 (using known evaluation techniques). If you also evaluate the rising and falling edges of the two rectangular pulse sequences, you get four pulses (quadrature) per pole change. With a pole spacing of 1 mm, for example, a path resolution of 0.25 mm can be achieved. The quadrature signal Q, as generated and evaluated by the microcontroller 13 , is shown in FIG. 4, line 3 .
Ein weiterer Hall-Schalter 9 dient dazu, einen separaten Polwechsel 11, der eine Indexmarke bildet, abzutasten (siehe Fig. 3, Zeile 4, Signal I). Das inkrementelle Signal wird ausgehend von dieser Indexmarke definiert. Der inkrementelle Wegsensor liefert daher insgesamt drei Signalverläufe, nämlich die in Fig. 3 dargestellten Signale A, B, I, die an den Eingang einer Auswerteschaltung bzw. des Mikrokontrollers 13 gelegt werden.Another Hall switch 9 is used to scan a separate pole change 11 , which forms an index mark (see FIG. 3, line 4 , signal I). The incremental signal is defined based on this index mark. The incremental displacement sensor therefore delivers a total of three signal profiles, namely the signals A, B, I shown in FIG. 3, which are applied to the input of an evaluation circuit or of the microcontroller 13 .
In der dargestellten Ausführungsform sind die stabförmigen Magnete 3, 5 integraler Bestandteil der Kolbenstange 6, wobei sich die jeweils zugeordneten Hallsensoren 2, 4 in dem Gehäuse 1 der Kolbenstange 6 befinden, welches in dem Bereich der Magnete 3, 4 die Kolbenstange 6 umgibt. Das Gehäuse 1 kann so ausgebildet sein, daß es entweder eine Durchgangsbohrung aufweist, in der sich die Kolbenstange 6 bewegt, oder eine U-förmige Aussparung, mit der der Sensorblock auf die Kolbenstange 6 aufsetzbar ist. Zur Gewährleistung, daß die Hall-Elemente 2, 4 sowie die Hall- Schalter 7, 8, 9 lagerichtig zu den Magneten 3, 5, 10, 11 positioniert werden bzw. in der lagerichtigen Position verbleiben, ist eine Verdrehsicherung dadurch realisiert, daß die Außenkontur der Magnete 3, 5 über den Außendurchmesser der Kolbenstange 6 vorragt und in eine entsprechende Erweiterung 20a der Durchgangsbohrung 20 eingreift (siehe Fig. 2). Durch diese Ausgestaltung der Magnete 3, 5 bzw. der Durchgangsbohrung 20 ist bei uneingeschränkter Verschiebbarkeit der Kolbenstange 6 innerhalb des Gehäuses 1 eine Verdrehsicherung gewährleistet, für welche keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.In the embodiment shown, the rod-shaped magnets 3 , 5 are an integral part of the piston rod 6 , the respectively associated Hall sensors 2 , 4 being located in the housing 1 of the piston rod 6 , which surrounds the piston rod 6 in the region of the magnets 3 , 4 . The housing 1 can be designed so that it either has a through hole in which the piston rod 6 moves, or a U-shaped recess with which the sensor block can be placed on the piston rod 6 . To ensure that the Hall elements 2 , 4 and the Hall switches 7 , 8 , 9 are positioned in the correct position to the magnets 3 , 5 , 10 , 11 or remain in the correct position, an anti-rotation device is realized in that the The outer contour of the magnets 3 , 5 protrudes beyond the outer diameter of the piston rod 6 and engages in a corresponding extension 20 a of the through hole 20 (see FIG. 2). This configuration of the magnets 3 , 5 and the through hole 20 ensures that the piston rod 6 can be moved within the housing 1 without restriction, for which no additional components are required.
Das Gehäuse 1 ist ferner mit einer Aussparung ausgebildet, in welcher ein Verdrahtungsträger 14 und der Mikrorechner 13 einschließlich der zu seinem Betrieb erforderlichen Komponenten wie beispielsweise Spannungsregler, Quarz usw. aufgenommen sind. Der Mikrokontroller ist beispielsweise über Leitungen 12 mit einer Steuereinrichtung des Bremssystems verbunden.The housing 1 is also formed with a recess in which a wiring carrier 14 and the microcomputer 13 including the components required for its operation, such as voltage regulators, quartz, etc., are accommodated. The microcontroller is connected, for example, via lines 12 to a control device of the brake system.
Zur Erzielung höherer Auflösungen kann das inkrementelle Sensorsystem auch als optisch-inkrementelles System ausgebildet sein. In einem solchen Falle werden die Polwechsel 10 durch eine Lochreihe ersetzt, die sich in einem streifenförmigen Träger befindet, der seitlich aus der Kolbenstange herausragt. Die Abtastung dieser Lochreihe erfolgt beispielsweise mit einem Encoder-Baustein, wie er von der Firma Hewlett Packard (HEDS 97 02) realisiert wird. Mit derartigen Elementen können Auflösungen von 0,05 mm erzielt werden.To achieve higher resolutions, the incremental sensor system can also be designed as an optical incremental system. In such a case, the pole changes 10 are replaced by a row of holes which is located in a strip-shaped carrier which protrudes laterally from the piston rod. This row of holes is scanned, for example, with an encoder module such as that implemented by Hewlett Packard (HEDS 97 02). With such elements, resolutions of 0.05 mm can be achieved.
Es ist ferner möglich, mittels optischinkrementeller Systeme auch Indexmarken auszuwerten. Es sind auch Kombinationen magneto-inkrementeller und optisch inkrementeller Systeme denkbar. Hierbei ist es beispielsweise möglich, das Impulsfolgensignal mittels optischem Encoder zu gewinnen und die Indexmarke durch einen magnetischen Polwechsel und entsprechendem Hall- Schalter zu realisieren. It is also possible by means of optically incremental Systems also evaluate index marks. They are too Combinations of magneto-incremental and optical incremental systems conceivable. Here it is for example possible using the pulse train signal optical encoder and the index mark through a magnetic pole change and corresponding Hall Realize switches.
Das inkrementelle Wegsensorsystem liefert nach Erkennung der Indexmarke ein sehr genaues Wegsignal. Dieses Wegsignal muß nicht kalibriert werden, da prinzipiell kein Offset und keine Nichtlinearitäten auftreten. Aufgrund der inkrementellen Arbeitsweise besteht auch keine Temperaturabhängigkeit des Wegsignals. Als nachteilig bei einer rein inkrementellen Arbeitsweise erweist sich jedoch bisweilen, daß bei Nichterkennen der Indexmarke keine absolute Wegposition ableitbar ist. Durch Kombination des inkrementellen Sensorsystems mit dem oben beschriebenen Analogsystem ist es jedoch möglich, wie weiter unten erläutert wird, diesen Nachteil zu eliminieren.The incremental displacement sensor system delivers after detection the index mark a very precise path signal. This way signal does not have to be calibrated, since in principle no offset and no non-linearities occur. Due to the there is also no incremental mode of operation Temperature dependence of the path signal. As a disadvantage at a purely incremental mode of operation proves itself sometimes that none if the index mark is not recognized absolute path position can be derived. By combining the incremental sensor system with that described above Analog system, however, is possible, as below is explained to eliminate this disadvantage.
Das inkrementelle Wegsignal kann dazu verwendet werden, die zwei analog arbeitenden Wegmeßsysteme bzw. Sensoren 2, 4 zu kalibrieren. Zu diesem Zwecke wird in einer Startprozedur der Mikrokontroller 13, der die Sensorsignale auswertet, über entsprechende Software in einen Kalibriermodus geschaltet. Zur Durchführung der Kalibrierprozedur ist es erforderlich, die Kolbenstange 6 einmal über den gesamten zu messenden Weg zu betätigen. Dabei muß die Indexmarke 11 bzw. das Signal I des inkrementellen Systems erkannt werden. Beginnend mit dem Erfassen der Indexmarke werden die zwei Spannungswerte der analogen Hallsensoren 2, 4 über (nicht im einzelnen dargestellte) Analog-Digitalwandler in den Mikrorechner eingelesen. Hier wird ihrem jeweiligen Spannungswert ein Meßwert des inkrementellen Systems zugeordnet. Aus einer Abweichung zwischen den analogen Werten und den inkrementell bestimmten Werten wird ein Korrekturwert für die stark nichtlinearen analogen Wegsignale der Hallsensoren 2 und 4 errechnet, und beispielsweise in einer Tabelle in dem Mikrorechner 13 (EEPROM) abgelegt. Es ist ferner möglich, über einen (nicht dargestellten) Temperatursensor die Umgebungstemperatur der Vorrichtung zu messen. Mit dieser Größe kann der typische Temperaturgang der beiden analog arbeitenden Hallsensoren 2, 4 korrigiert werden, wenn dies aus Gründen der Minimierung des Meßfehlers erforderlich ist. Die Korrektur des Signals erfolgt in diesem Falle beispielsweise softwareseitig durch den Mikrorechner. Die dargestellte Kalibrierprozedur ist nur einmal, beispielsweise beim Einbau des Systems in das Fahrzeug, erforderlich. Voraussetzung für diese Art der Sensorkalibrierung ist eine bidirektional arbeitende Schnittstelle am Sensorausgang, wobei vorzugsweise in diesem Fall eine CAN-Schnittstelle (Controller Area Network) zum Einsatz kommt.The incremental path signal can be used to calibrate the two analog measuring systems or sensors 2 , 4 . For this purpose, in a start-up procedure, the microcontroller 13 , which evaluates the sensor signals, is switched into a calibration mode using appropriate software. To carry out the calibration procedure, it is necessary to actuate the piston rod 6 once over the entire path to be measured. The index mark 11 or the signal I of the incremental system must be recognized. Beginning with the detection of the index mark, the two voltage values of the analog Hall sensors 2 , 4 are read into the microcomputer via (not shown in detail) analog-digital converters. Here a measurement value of the incremental system is assigned to their respective voltage value. A correction value for the strongly nonlinear analog path signals of the Hall sensors 2 and 4 is calculated from a deviation between the analog values and the incrementally determined values, and is stored, for example, in a table in the microcomputer 13 (EEPROM). It is also possible to measure the ambient temperature of the device via a temperature sensor (not shown). With this variable, the typical temperature response of the two Hall sensors 2 , 4 working analogously can be corrected if this is necessary for reasons of minimizing the measurement error. In this case, the signal is corrected, for example, on the software side by the microcomputer. The calibration procedure shown is only required once, for example when installing the system in the vehicle. A prerequisite for this type of sensor calibration is a bidirectional interface at the sensor output, in which case a CAN interface (Controller Area Network) is preferably used.
Als Ergebnis der Kalibrierprozedur stehen für die Generierung des auszugebenden Wegsignals drei voneinander unabhängige Signale zur Verfügung, nämlich das korrigierte bzw. linearisierte Ausgangssignal des analog arbeitenden Hallsensors 2, das korrigierte bzw. linearisierte Ausgangssignal des analog arbeitenden Hallsensors 4 und das durch Quadratur und Zählung der Inkremente gewonnene Signal der drei Hall-Schalter 7, 8 und 9.As a result of the calibration procedure, three independent signals are available for the generation of the path signal to be output, namely the corrected or linearized output signal of the analogue Hall sensor 2 , the corrected or linearized output signal of the analogue Hall sensor 4 and that by quadrature and counting the increments signal obtained from the three Hall switches 7 , 8 and 9 .
Eine typische Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Kraftfahrzeugbetrieb wird nun im einzelnen erläutert. Nach Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs muß davon ausgegangen werden, daß das Bremssignal betätigt sein kann. In einem solchen Fall wird zunächst das Ausgangssignal des inkrementell arbeitenden Sensorsystems 8, 9, 11 als ungültig angesehen, weil die Indexmarke, welche die Voraussetzung für die Initialisierung des inkrementellen Systems ist, noch nicht erkannt worden ist. Aus diesem Grunde wird eines der beiden Ausgangssignale des analog arbeitenden Systems 2, 4 zur Generierung des Ausgangssignals des Wegsensors verwendet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise der analog arbeitende Hallsensor 2 ausgewählt. Dessen (mittels der oben erläuterten Kalibrierung linearisierte) Ausgangsspannung wird hierbei beispielsweise nach verschiedenen, noch näher zu erläuternden Plausibilitätsuntersuchungen, über die CAN-Schnittstelle ausgegeben.A typical possible use of the device according to the invention for motor vehicle operation will now be explained in detail. After switching on the ignition of the motor vehicle, it must be assumed that the brake signal can be actuated. In such a case, the output signal of the incrementally operating sensor system 8 , 9 , 11 is initially regarded as invalid because the index mark, which is the prerequisite for the initialization of the incremental system, has not yet been recognized. For this reason, one of the two output signals of the analog system 2 , 4 is used to generate the output signal of the displacement sensor. In the exemplary embodiment shown, the analog Hall sensor 2 is selected, for example. Its output voltage (linearized by means of the calibration explained above) is output via the CAN interface, for example, after various plausibility tests to be explained in more detail.
Im weiteren Verlauf nach dem Einschalten der Zündung wird es einen Zeitpunkt geben, bei dem das Bremspedal gelöst wird. Durch entsprechende konstruktive Gestaltung der Anordnung des Hall-Schalters 9 bzw. der Indexmarke 11 ist im Falle des nichtbetätigten Bremspedals sichergestellt, daß die Indexmarke 11 durch den Hall-Schalter 9 sicher erkannt wird. Das Erkennen der Indexmarke 11 löst, insbesondere softwaregesteuert, ein Umschalten von dem analogen auf das inkrementelle Meßsystem aus, so daß im weiteren Verlauf ein Meßwert, der digital gewonnen wird und keinen Offset- bzw. Empfindlichkeitsfehler aufweist, über die CAN-Schnittstelle des Rechners ausgegeben werden kann.In the further course after switching on the ignition there will be a point in time at which the brake pedal is released. A corresponding constructive design of the arrangement of the Hall switch 9 or the index mark 11 ensures, in the case of the brake pedal not actuated, that the index mark 11 is reliably recognized by the Hall switch 9 . The detection of the index mark 11 triggers, in particular software-controlled, a switchover from the analog to the incremental measuring system, so that in the further course a measured value which is obtained digitally and has no offset or sensitivity error is output via the CAN interface of the computer can be.
Eine Einschränkung der Genauigkeit des digitalen Signals ist durch die erreichbare Auflösung des Wegsignals gegeben, welche durch den Abstand der magnetischen Polwechsel bestimmt wird. Es ist jedoch in der Regel davon auszugehen, daß eine Wegauflösung von 0,25 mm bei einer zu erfassenden Weglänge von 22 mm ausreichend ist. Eine derartige Auflösung ist mit Polmittenabständen von 1 mm und Erzeugung eines Quadratursignals erreichbar. Sollten die Anforderungen an die Wegauflösung höher sein, besteht beispielsweise die Möglichkeit, das inkrementelle Signal unter Zuhilfenahme eines der beiden analog erhaltenen Hallsignale zu interpolieren.A limitation on the accuracy of the digital signal is given by the achievable resolution of the path signal, which is determined by the distance of the magnetic pole changes is determined. However, it can usually be assumed that a path resolution of 0.25 mm for one to be detected Path length of 22 mm is sufficient. Such Resolution is with pole center distances of 1 mm and generation of a quadrature signal can be reached. Should that Requirements for path resolution are higher for example the possibility of the incremental signal with the help of one of the two obtained analog Interpolate Hall signals.
Neben der dargestellten Möglichkeit einer sehr genauen Wegerfassung bietet das erfindungsgemäße Sensorprinzip auch die Möglichkeit, voneinander unabhängige Wegsignale zur Erzielung einer Eigensicherheit des Systems zu nutzen. Es können beispielsweise in einer ersten Stufe die zwei analogen Ausgangsspannungen der Hall-Elemente 2, 4 in einem Differenzbilder überwacht werden. Bei Plausibilität der Differenz kann der Zählerstand des Inkrementalgebers mit einer der beiden analog vorliegenden Ausgangsspannungen der Hall-Elemente 2, 4 verglichen werden und auf diese Weise das Ausgangssignal des Sensors gültig gemacht werden. Auch bei Ausfall eines der drei Meßsysteme kann der Defekt erkannt werden. In diesem Fall kann über den CAN-Ausgang des Sensors eine Information abgesetzt werden, ohne die Verfügbarkeit des Sensors insgesamt zu beeinträchtigen.In addition to the possibility of a very precise path detection shown, the sensor principle according to the invention also offers the possibility of using path signals that are independent of one another to achieve intrinsic safety of the system. In a first stage, for example, the two analog output voltages of the Hall elements 2 , 4 can be monitored in a differential image. If the difference is plausible, the count of the incremental encoder can be compared with one of the two analog output voltages of the Hall elements 2 , 4 and the output signal of the sensor can be made valid in this way. The defect can also be detected if one of the three measuring systems fails. In this case, information can be sent via the CAN output of the sensor without affecting the overall availability of the sensor.
Eine weitere Möglichkeit der Auswertung der erhaltenen Sensorsignale besteht darin, nur die analogen Wegsignale der Hall-Elemente 2, 4 auszuwerten und das digitale Signal zur Stützung dieser Analogwerte einzusetzen. Auch diese Vorgehensweise ist ohne zusätzlichen Hardwareaufwand über die Software des Mikrorechners 13 durchführbar.Another possibility of evaluating the sensor signals obtained is to evaluate only the analog path signals of the Hall elements 2 , 4 and to use the digital signal to support these analog values. This procedure can also be carried out via the software of the microcomputer 13 without additional hardware expenditure.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein selbstkalibrierender Wegsensor zur Verfügung gestellt, dessen Ausgangssignal weitestgehend linear und temperaturunabhängig ist. Dies wird dadurch gewährleistet, daß ein inkrementelles System zwei analoge Sensoren bezüglich Empfindlichkeit und Offset kalibriert, wobei die Kalibrierung des Sensors am Einbauort erfolgen kann. Die jeweiligen Ausgangssignale der verschiedenen Sensorsysteme der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in einem Mikroprozessor miteinander verknüpft, wodurch sich die prinzipbedingten Einschränkungen der einzelnen Sensoren aufheben, so daß die Vorrichtung insgesamt den Sicherheitsanforderungen an ein Bremssystem Rechnung trägt. Es ist möglich, weitere Sensorsignale, beispielsweise ein Bremslichtschaltersignal oder ein Drucksensorsignal, in den Mikrorechner einzuspeisen und zusammen mit den Signalen der Einzelsensoren weiterzuverarbeiten.By means of the device according to the invention, a self-calibrating displacement sensor provided, whose output signal is largely linear and is independent of temperature. This is guaranteed by that an incremental system has two analog sensors calibrated for sensitivity and offset, the The sensor can be calibrated at the installation site. The respective output signals of the various sensor systems the device according to the invention are in one Microprocessor linked together, whereby the principle-related restrictions of the individual sensors cancel so that the device as a whole Safety requirements for a braking system are taken into account. It is possible to add further sensor signals, for example a Brake light switch signal or a pressure sensor signal in the Microcomputer feed and together with the signals of the Further processing of individual sensors.
Claims (14)
- 1. Ermittlung wenigstens eines Analogsignals in Abhängigkeit von dem zu messenden Weg,
- 2. Ermittlung wenigstens eines inkrementellen Signals in Abhängigkeit von dem zu messenden Weg, und
- 3. In-Beziehung-Setzung von Analogsignal und inkrementellem Signal zum Erhalt eines sowohl das Analogsignal als auch das inkrementelle Signal berücksichtigenden, den zu messenden Weg darstellenden Signals.
- 1. Determination of at least one analog signal depending on the path to be measured,
- 2. Determination of at least one incremental signal as a function of the path to be measured, and
- 3. Relation of the analog signal and the incremental signal to obtain a signal which takes into account both the analog signal and the incremental signal and represents the path to be measured.
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