EP2260315A2 - Diagnosable hall sensor - Google Patents

Diagnosable hall sensor

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Publication number
EP2260315A2
EP2260315A2 EP09726784A EP09726784A EP2260315A2 EP 2260315 A2 EP2260315 A2 EP 2260315A2 EP 09726784 A EP09726784 A EP 09726784A EP 09726784 A EP09726784 A EP 09726784A EP 2260315 A2 EP2260315 A2 EP 2260315A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hall
diagnostic
sensor device
sensor
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09726784A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Peukert
Wolfgang Kliemannel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP2260315A2 publication Critical patent/EP2260315A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/202—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using Hall-effect devices

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for determining the position of a sensor device with a Hall probe according to the preamble of patent claim 1.
  • Hall probes are known in the art.
  • Hall probes consist of a conductive sensor surface, which is flowed through by a supply current. If a magnetic field now interacts with the sensor surface through which the current flows, due to the Lorentz force on the moving electrical charge carriers in the sensor surface, the charge carriers are deflected transversely to their direction of movement. As a result, an electric field and a voltage measurable between the two lateral edges of the sensor surface voltage is generated.
  • This known as Hall voltage voltage is proportional to the product of the magnetic flux density of the magnetic field acting on the sensor and the sensor surface flowing through the feed current.
  • the magnetic flux density acting on the sensor can be determined down to a proportionality factor, wherein the proportionality factor is mainly dependent on the geometric dimensions of the sensor surface.
  • Hall probes or Hall sensors are known, for example, in the form of integrated Hall sensor components, wherein the actual Hall sensor is followed by a processing device which processes the Hall signal output by the Hall sensor for evaluation and outputs an output signal resulting from the Hall signal. Both the Hall sensor and the processing device can be integrated in a single housing.
  • Hall sensors can be used, for example, to determine relative positions of two mechanical components in a contact-free and wear-free manner.
  • a Hall sensor is arranged on one of the two mechanical components, while a magnetic field-generating component, preferably a permanent magnet, is arranged on the other of the two mechanical components.
  • the strength and / or the angle of the magnetic field lines of the magnetic field generating component at the location of the Hall sensor, and thus the Hall voltage generated by the Hall sensor changes.
  • the change in the relative position of the two mechanical components can be registered, and in the case of a corresponding calibration of the Hall sensor also measured or quantified.
  • Hall sensor components can not be adequately checked when installed or during operation so that the defect is not detected.
  • the prior art still offers fewer possibilities with regard to the diagnosis not only of the Hall sensor element itself, but also of the evaluation electronics associated with the Hall sensor, which, together with the actual sensor element, is usually accommodated in a uniform chip housing.
  • a Hall sensor component is known in which a diagnosis of the Hall sensor in the installed state can be carried out by cyclically changing the current flowing through the Hall sensor component, and by deducing from a corresponding change in the sensor output voltage on the functionality of the sensor.
  • the object of the present invention to provide a diagnosable sensor device with a Hall probe, or a method for functional diagnosis of a Hall sensor device, with which a comprehensive diagnosis of the sensor device can take place.
  • the invention should make it possible to carry out a diagnosis of the Hall sensor component as well as the evaluation of the Hall sensor device. Moreover, not only a qualitative, but also a quantitative diagnosis of
  • Sensor device are made possible, whereby a calibration of the sensor device, or an elimination of measurement errors should be made possible, which occur for example due to changing environmental conditions.
  • the measuring device serves to determine the field strength of a magnetic field.
  • the measuring device comprises a sensor device with at least one Hall probe.
  • the Hall probe is set up to generate a Hall voltage as a function of the magnetic field penetrating the Hall probe as well as as a function of a feed current flowing through the Hall probe.
  • the measuring device is characterized by a galvanically isolated from the Hall probe, preferably in the immediate vicinity of the Hall probe arranged electrical diagnostic conductor, as well as by a driver device for generating a specific electrical diagnostic current through the diagnostic director.
  • the diagnostic conductor by means of which a specific electrical diagnostic current is conducted by means of the driver device, generates a magnetic field caused by the diagnostic current, which in turn acts on the Hall probe.
  • a Hall voltage of a certain size is generated in the Hall probe.
  • This Hall voltage caused by the diagnostic current can be evaluated and, as a result of the evaluation, conclusions can be drawn regarding the function of the Hall probe as well as the function of the evaluation electronics of the Hall probe.
  • a relationship between the size of the diagnostic current and the size of the resulting Hall voltage can be produced because a particular size of the diagnostic current is assigned a specific magnetic field strength of the diagnostic conductor and thus a certain setpoint associated with this magnetic field strength Hall voltage.
  • a corresponding correction value is determined. This allows, for example, a temperature compensation of the Hall probe, so that the accuracy, reliability and temperature stability of the Hall probe can be significantly improved.
  • diagnosable magnetic field sensors which can preferably be used where, for safety reasons, a reliable detection of the failure of the sensor is required, for example, to prevent damage to persons or facilities in case of failure of sensors.
  • the measuring device is also able to test the functionality of the Hall sensor or of the evaluation electronics without the need for an external magnetic field, as is the case with the cited prior art , Rather, the magnetic field underlying the diagnosis is generated according to the invention by the diagnostic conductor and the diagnostic current itself, which has the additional advantage that the field strength of the diagnostic magnetic field is known, or can be adjusted as required.
  • a mechanical distortion of the Hall probe can be detected or diagnosed, since this leads to a corresponding distortion of the Hall voltage, which, however, can be registered on the basis of the diagnostic current known according to the invention and the diagnosis magnetic field also known therewith.
  • the galvanic isolation between the diagnostic conductor and the Hall probe contributes to a particularly reliable diagnosis as well as to a protection of the Hall probe from the diagnostic voltage or the diagnostic current.
  • the invention can first be realized regardless of what type and size of the diagnostic current, as long as the variables determining the diagnostic current are known, from which the field strength of the diagnostic magnetic field and thus also the desired size of the Hall voltage generated by the diagnostic magnetic field can be calculated ,
  • the diagnostic current has a cyclically varying current intensity in a known manner, or the diagnostic current is impressed on a fixed, known pulse pattern.
  • the advantageous results Ability to split the Hall voltage delivered by the Hall probe into a measured sub-voltage and a diagnostic sub-voltage. This is advantageous insofar as a complete, possibly quantitative, diagnosis of the Hall probe can thus also take place if external magnetic fields or interference magnetic fields of known or unknown size are present.
  • a corresponding pulse pattern can also be detected at the Hall voltage output by the Hall probe.
  • a separation between the optionally superimposed with a measurement signal diagnostic signal and the measurement signal can thus take place.
  • the amplitude of the pulses present in the Hall voltage can be measured, whereupon, based on this measured amplitude and on the basis of the known amplitude of the diagnostic current, a complete diagnosis of the measuring device or the Hall probe can again take place, as described above.
  • the Hall probe and the diagnostic conductor are arranged or encapsulated together in a probe housing.
  • a probe housing This may in particular be a chip housing in which the Hall probe and its evaluation as well as the diagnostic conductor are housed.
  • This has the advantage that the relative position between the diagnostic conductor and the Hall probe is set exactly and invariably, so that no separate calibration of the magnetic field generated by the diagnostic conductor in the region of the Hall probe has to take place. Furthermore, this results in an optimal protection of the diagnostic conductor and optimal handling of the sensor device.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the sensor device is an integrated current measuring sensor.
  • the diagnostic conductor is formed by the shunt resistor or measuring shunt arranged in the chip housing of the current measuring sensor, wherein the current measuring sensor is not used in this case to measure an unknown current intensity, but instead by measuring a known current intensity in the form of the diagnostic current a magnetic field unknown size with simultaneous diagnosis of the sensor and the transmitter is used.
  • the measuring device is characterized by an additional magnet which is movably arranged relative to the sensor device or to the Hall probe.
  • the sensor device and the magnet are arranged so as to be rotatable relative to one another or displaceable relative to one another.
  • Hall sensor measuring devices are used in particular for the low-wear and low-friction determination of the switching position of operating levers.
  • actuators can - for determining the current switching state of the transmission operating lever in the passenger cabin - be arranged for example on the operating lever, a magnet which generates a magnetic field of a certain size in the effective range of the sensor device or the Hall probe of the sensor device at a certain switching position.
  • the measuring device according to the invention is thus used for this application on the motor vehicle, faults or a failure of the sensor device can easily be detected by a diagnostic electronics arranged in the motor vehicle and correspondingly diagnosed. It is also possible by means of arranged in the motor vehicle diagnostic electronics permanently the functionality of the in the To monitor transmission actuator used Hall sensor device and correct if necessary. If faults or failures of the sensor device are detected, it is possible to signal this to the driver or to run a safety program assigned to the failure. In this way, a possible incorrect operation of the transmission can be prevented and thus a possible damage by the driver or the vehicle can be averted.
  • the invention further relates to a method for functional diagnosis of a Hall sensor device.
  • the Hall sensor device comprises at least one Hall probe, a galvanically isolated from the Hall probe diagnostic conductors and a driver device.
  • the driver device serves to impress a variable with a predetermined amplitude waveform electrical diagnostic current to the diagnostic ladder.
  • the method according to the invention comprises the following method steps.
  • a defined supply current is generated by the control electronics of the sensor device, which flows through the Hall probe as a prerequisite for the measurement of Hall voltages.
  • the determination of the Hall voltage generated by the Hall probe which is split in a further method step in the measurement sub-voltage and the diagnostic sub-voltage.
  • the splitting of the Hall voltage into the measured partial voltage and the diagnostic partial voltage can in principle be effected by simple subtraction, since the amplitude characteristic of the diagnostic current and thus the nominal size of the Hall voltage produced by the diagnostic current are known.
  • the measurement partial voltage of the Hall probe can thus be determined, the measurement partial voltage of the Hall probe.
  • both the measured partial voltage - as a measure of an external magnetic field acting approximately on the Hall probe - and the diagnostic partial voltage - as a measure of the magnetic field generated by the diagnostic current - are known and can subsequently be used in a further method step be evaluated separately.
  • the inventive method thus enables a permanent diagnosis of the Hall sensor device even during normal operation. Due to the superimposition of the diagnostic magnetic field generated by means of diagnostic current and diagnostic conductor with a possible external magnetic field, for example, a permanent magnet and subsequent re-separation of the signal of the Hall probe in the diagnostic sub-voltage and the measuring sub-voltage, no mutual influence of the measurement and diagnostic signals takes place.
  • the method according to the invention not only can a qualitative diagnosis be made as to whether the function of the Hall sensor device is given or not, but also a quantitative diagnosis as to whether the Hall probe signal is correct and proportional to the particular magnetic field present. For this reason, thanks to the method according to the invention, it is also possible to carry out permanent monitoring and, if appropriate, calibration of the Hall probe. This may be necessary, for example, when signal distortions have occurred due to temperature drift or due to mechanical stresses of the Hall probe.
  • the method according to the invention can first of all be realized independently of which amplitude variation the variable electrical diagnostic current has, as long as this profile is known or exactly predeterminable and thus the diagnosis partial voltage can be separated again from the measured partial voltage by subtraction.
  • the electrical diagnostic current has a pulse-shaped amplitude characteristic.
  • the pulse-shaped amplitude characteristic is particularly advantageous in that the pulses are due to their high Slope steepness particularly simple and accurate in the output signal of the Hall probe detect and thus can be reliably separated from the measuring partial voltage.
  • an evaluation of the number of pulses detected within a predetermined time, or an evaluation of the amplitude of the pulses takes place within the scope of the evaluation of the output signal of the Hall probe.
  • the evaluation of the number of pulses can be carried out in particular in the context of a simpler, qualitative diagnosis of the Hall sensor device in which a failure of the sensor device can be inferred if not the same number of pulses is registered within a certain specified time as the Number of pulses of the injected diagnostic current corresponds.
  • the evaluation of the pulse amplitude of the diagnostic partial voltage in particular also enables a quantitative diagnosis or calibration of the sensor device, as described above.
  • a magnet is arranged on a relative to the sensor device movable member.
  • a determination of the relative position between the sensor device and the magnet takes place on the basis of the measured partial voltage.
  • the position of the selector lever of a vehicle gear change transmission is thus detected by the sensor device or the magnet are arranged on a pedestal or on the selector lever of the actuator so that upon movement of the selector lever, a relative movement between the sensor device and the magnet takes place.
  • This relative movement leads to a change in the effective magnetic field of the magnet in the region of the sensor device or in the region of the Hall probe of the sensor device, whereby - after appropriate calibration - can be closed to the respective relative position between the selector lever and the base of the actuator.
  • Fig. 1 is a schematic view of the sensor device a
  • FIG. 2 in a representation corresponding to Fig. 1, an embodiment of a measuring device according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the output voltage of the Hall probe of the measuring device according to FIG. 2 in idle mode
  • FIG. 4 in a representation corresponding to FIG. 3, the output voltage of the Hall probe of the measuring device according to FIG. 2 and FIG. 3 during operation;
  • FIG. 6 in a Fig. 5 corresponding representation of the arrangement of sensor device and magnet of FIG. 6 in the bottom view.
  • Fig. 1 shows in a highly schematically executed
  • Circuit diagram of the sensor device 1 of a measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • the four edges are connected in the usual way with an electronic supply and evaluation circuit 3.
  • the Hall probe 2 can be acted upon by the supply current necessary for the occurrence of the Hall effect, and it can be tapped at the occurrence of magnetic fields at the parallel to the feed current side edges of the Hall probe 2, the corresponding Hall voltage and registered become .
  • the illustrated sensor device 1 comprises a galvanically isolated from the Hall probe 2 diagnostic conductor 4, which is a
  • Driver device 8 (not shown in Fig. 1, see Fig. 2) can be fed such that a certain electrical diagnostic current in the diagnostic conductor 4 flows.
  • the diagnostic current flowing through the diagnostic conductor 4 causes a magnetic field 5 caused by the diagnostic current to build up around the diagnostic conductor.
  • This magnetic field 5 also passes through the Hall probe 2 and thus leads there to produce a corresponding Hall voltage at the parallel to the feed current through the Hall probe 2 extending two edges of the Hall probe. 2
  • the Hall voltage is received by the evaluation circuit 3 of the sensor device, amplified and output as a corresponding signal via an output 6 of the sensor device.
  • FIG. 2 shows how the sensor device 1 from FIG. 1 is integrated into a measuring device according to the invention.
  • a magnet 7 which is movable relative to the sensor device 1 is initially recognizable in FIG.
  • the measuring device comprises a driver device 8, a series resistor 9 and a
  • Control electronics 10 coordinates the entire processes that are required for the diagnosis of the sensor device 1 according to the invention.
  • the rectangular signal 11 is amplified by the driver device 8 and imprinted in the form of a pulsating diagnostic current 12 with a rectangular amplitude characteristic to the diagnostic device 4 arranged in the sensor device 1.
  • the measuring device comprises the series resistor 9. At the series resistor 9 falls to the course of the diagnostic current 12 respectively proportional, as well as the diagnostic current 12 pulse-shaped control voltage 13, which in turn is fed to the control electronics 10.
  • control electronics 10 is still connected to the output 6 of the sensor device 1, so that the correspondingly reinforced Signal 14 of the Hall probe 2 of the control electronics 10 is supplied.
  • the signal 14 of the Hall probe 2 emitted by the sensor device 1 initially represents a summation signal 14 which corresponds to the superimposed magnetic field of both the magnet 7 and the diagnostic conductor 4 prevailing at the location of the Hall probe 2.
  • the current through the diagnostic circuit 4 and thus the size of the magnetic field generated by the diagnostic 4 5 in the Hall probe 2 is known. Because of these known correlations, the setpoint diagnostic signal generated by the Hall probe 2 can thus be calculated and thus also eliminated again from the summation signal 14 or separated from the summation signal 14 by superposition with the sum signal 14 emitted by the Hall probe 2 the resulting on the magnet 7, pure analog signal of the Hall probe results.
  • FIGS. 3 and 4 show examples of the sum signal 14 output by the sensor device 1, the sum signal 14 initially resulting, as explained above, from a superposition of the magnetic fields of the magnet 7 and of the diagnostic conductor 4.
  • Fig. 3 shows the output voltage or the sum signal 14 of the sensor device 1 in the case of the standstill of the magnet 7 relative to the sensor device 1, so for example the signal of the sensor device 1 of an actuator for a gear change in the case of stationary motion lever. It can be seen that the measured signal 15 applied along the vertical axis remains constant as a component of the sum signal 14 over time (right-hand axis). From the height of the measuring partial voltage 15 of the sum signal 14 can be closed on the distance between the magnet 7 and the sensor device 1, or in the example to the absolute position of the transmission operating lever.
  • the sum signal 14 of the sensor device 1 shows the sum signal 14 of the sensor device 1, as it results in the case of a non-uniform movement of the magnet 7 relative to the sensor device 1, or in the case of a corresponding movement of a equipped with the sensor device 1 gear actuating lever.
  • the sum signal 14 consists of a superimposition of the measuring partial voltage 15 on the one hand, which results from the magnetic field of the magnet 7, and the diagnostic partial voltage 16 on the other hand, resulting from the pulsating magnetic field 5 of the diagnosis 4.
  • a quantitative diagnosis or calibration of the sensor device 1 can be carried out by comparing the actual diagnostic partial voltage 16 output by the sensor device 1 with the desired diagnostic signal calculated by the control electronics 10. If, for example, the amplitude of the actual diagnostic signal 16 is greater than the calculated or stored desired value of this amplitude, then a corresponding correction (in this case a reduction) of the supply current conducted through the Hall probe 2 can take place until the measured actual value of the amplitude of the diagnosis Sub-voltage 16 again coincides with the desired value. In this way, for example, a temperature drift of the Hall probe 2, or a mechanical strain of the Hall probe 2 detected and optionally automatically compensated, which can significantly improve the reliability and measurement accuracy of the measuring device.
  • FIGS. 5 and 6 show another embodiment of the measuring device according to the present invention.
  • a pan-shaped housing 17 which is preferably formed from metal, is initially recognized, in order to ensure optimum shielding of the sensor device 1 against interference fields.
  • the housing 17 is connected via a boom 18 in engagement with a movable coupling pin 19, wherein the movable coupling pin 19 is in turn connected to a (not shown) selector lever of a gear change transmission, and thus follows the movements of the selector lever.
  • a substantially circular-arc-segment-shaped permanent magnet 7 is arranged in the interior of the housing 17 and also has a thickness which increases linearly along its arcuate shape in the manner of an inclined plane.
  • the permanent magnet 7 acts on the also recognizable in Fig. 6 sensor device 1, which is not connected to the housing 17, but for example, on the (not shown here) base of the actuator is attached. This means that in the case of rotational movements of the housing 17 and the permanent magnet 7 connected to the housing, the effective distance between the permanent magnet 7 and the sensor device 1 changes proportionally to the angle of rotation of the housing.
  • the rotation angle position of the housing 17 can be determined based on evaluation of the measuring partial voltage 15 of the sensor 1.
  • a permanent check and optionally automatic calibration of the sensor 1 can take place at the same time, as explained above.
  • the Sensor device 1 permanently monitored for function and any failures, and it may be initiated in case of failure any emergency programs or the user will be notified accordingly.
  • the sensor device 1 can also be provided twice in the sense of further increasing the system availability, redundancy and reliability. In other words, this means that at least the sensor device 1 comprising the Hall sensor 2 and the diagnostic conductor 4 is present in duplicate.
  • the control electronics 10 can only be designed simply for reasons of cost, in which case the number of sensor contacts of the control electronics 10 - corresponding to the double-existing sensor device 1 - is likewise doubled.
  • the invention provides a diagnosable sensor device or a method for functional diagnosis of a sensor device, which have significant advantages, in particular with regard to reliability and measurement accuracy.
  • the sensor device according to the invention and the method according to the invention allow the complete and permanent quantitative diagnosis and calibration of a Hall sensor component, whereby measurement errors, for example due to temperature drift or mechanical stresses, can be eliminated. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The invention relates to a measuring apparatus for determining magnetic field strengths by way of a Hall probe (2), and to a method for the functional diagnosis of a Hall sensor device (1). The measuring apparatus comprises a sensor device (1) having a Hall probe (2) and according to the invention is characterized by an electrical diagnosis conductor (4) that is galvanically isolated from the Hall probe (2). A diagnosable Hall sensor device (1) and a method for the functional diagnosis of a Hall sensor (2) are created, by which permanent, comprehensive diagnosis of the sensor device (1) or of the Hall sensor (2) can be carried out. In particular, the Hall sensor (2) can be checked not only qualitatively for functional capability or failure, but also quantitatively with respect to correct calibration, and optionally an immediate correction or recalibration of the sensor (2) can take place. In this way, particularly measuring errors, for example due to a temperature drift or due to mechanical stresses of the sensor (2), can be eliminated.

Description

Diagnostizierbarer Hallsensor Diagnostic Hall Sensor
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Position einer Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a measuring device for determining the position of a sensor device with a Hall probe according to the preamble of patent claim 1.
Hall-Sonden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im Prinzip bestehen Hall-Sonden aus einer leitfähigen Sensorfläche, die von einem Speisestrom durchflössen wird. Tritt nun ein magnetisches Feld in Wechselwirkung mit der von dem Strom durchflossenen Sensorfläche, so kommt es aufgrund der Lorentzkraft auf die bewegten elektrischen Ladungsträger in der Sensorfläche zu einer Ablenkung der Ladungsträger quer zu deren Bewegungsrichtung. Hierdurch wird ein elektrisches Feld sowie eine zwischen den beiden seitlichen Rändern der Sensorfläche messbare elektrische Spannung erzeugt.Hall probes are known in the art. In principle, Hall probes consist of a conductive sensor surface, which is flowed through by a supply current. If a magnetic field now interacts with the sensor surface through which the current flows, due to the Lorentz force on the moving electrical charge carriers in the sensor surface, the charge carriers are deflected transversely to their direction of movement. As a result, an electric field and a voltage measurable between the two lateral edges of the sensor surface voltage is generated.
Diese als Hall-Spannung bekannte Spannung ist proportional zum Produkt aus der magnetischen Flussdichte des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes und dem die Sensorfläche durchfließenden Speisestrom. Auf diese Weise kann mittels einer Messung der Hall-Spannung - bei bekannter Speisestromstärke - die auf den Sensor wirkende magnetische Flussdichte bis auf einen Proportionalitätsfaktor bestimmt werden, wobei der Proportionalitätsfaktor hauptsächlich von den geometrischen Abmessungen der Sensorfläche abhängig ist.This known as Hall voltage voltage is proportional to the product of the magnetic flux density of the magnetic field acting on the sensor and the sensor surface flowing through the feed current. In this way, by means of a measurement of the Hall voltage - at a known supply current intensity - the magnetic flux density acting on the sensor can be determined down to a proportionality factor, wherein the proportionality factor is mainly dependent on the geometric dimensions of the sensor surface.
Derartige Hall-Sonden oder Hall-Sensoren sind z.B. in Form von integrierten Hall-Sensor-Bauelementen bekannt, wobei dem eigentlichen Hall-Sensor eine Verarbeitungsvorrichtung nachgeschaltet ist, die das von dem Hall-Sensor abgegebene Hall-Signal für eine Auswertung aufbereitet und ein aus dem Hall-Signal resultierendes Ausgangssignal abgibt. Sowohl der Hall-Sensor als auch die Verarbeitungsvorrichtung können dabei in einem einzigen Gehäuse integriert sein.Such Hall probes or Hall sensors are known, for example, in the form of integrated Hall sensor components, wherein the actual Hall sensor is followed by a processing device which processes the Hall signal output by the Hall sensor for evaluation and outputs an output signal resulting from the Hall signal. Both the Hall sensor and the processing device can be integrated in a single housing.
Hall-Sensoren lassen sich beispielsweise dazu einsetzen, Relativpositionen von zwei mechanischen Bauteilen berührungs- und verschleißtrei zu ermitteln. Hierzu wird ein Hall-Sensor an einem der beiden mechanischen Bauteile angeordnet, während ein magnetfelderzeugendes Bauteil, vorzugsweise ein Permanentmagnet, an dem anderen der beiden mechanischen Bauteile angeordnet wird. Bei einer Relativbewegung der beiden mechanischen Bauteile verändert sich auch die Stärke und/oder der Winkel der Magnetfeldlinien des magnetfelderzeugenden Bauteils am Ort des Hall-Sensors, und damit die von dem Hall-Sensor erzeugte Hall-Spannung. Somit kann die Veränderung der Relativposition der beiden mechanischen Bauteile registriert, und im Fall einer entsprechenden Kalibrierung des Hall-Sensors auch gemessen bzw. quantitativ ermittelt werden.Hall sensors can be used, for example, to determine relative positions of two mechanical components in a contact-free and wear-free manner. For this purpose, a Hall sensor is arranged on one of the two mechanical components, while a magnetic field-generating component, preferably a permanent magnet, is arranged on the other of the two mechanical components. In a relative movement of the two mechanical components, the strength and / or the angle of the magnetic field lines of the magnetic field generating component at the location of the Hall sensor, and thus the Hall voltage generated by the Hall sensor changes. Thus, the change in the relative position of the two mechanical components can be registered, and in the case of a corresponding calibration of the Hall sensor also measured or quantified.
Es besteht jedoch grundsätzlich auch bei einem Hall-Sensor das Risiko eines Ausfalls des Sensor-Bauelements, beispielsweise aufgrund eines elektronischen Defekts. Ebenso ist es möglich, dass das Messsignal verfälscht wird, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen, aufgrund von eingestreuten externen Magnetfeldern, oder auch aufgrund mechanischer Spannungen, die sich auf den Hall-Sensor übertragen und so dessen Empfindlichkeit bzw. Kennlinie verändern können.In principle, however, there is also the risk of a failure of the sensor component, for example due to an electronic defect, even in the case of a Hall sensor. It is also possible that the measurement signal is corrupted, for example due to different operating temperatures, due to interspersed external magnetic fields, or due to mechanical stresses that can be transmitted to the Hall sensor and thus change its sensitivity or characteristic.
Fällt nun ein herkömmliches Hall-Sensor-Bauelement aufgrund eines derartigen Defektes aus, bzw. ergeben sich aufgrund der beschriebenen Randbedingungen Verfälschungen des Signals des Hall-Sensors, so besteht häufig das Problem, dass die Funktionsfähigkeit desNow, if a conventional Hall sensor component fails due to such a defect, or arise due to the boundary conditions described distortions of the signal of the Hall sensor, so there is often the problem that the functionality of the
Hall-Sensor-Baulements im eingebauten Zustand bzw. im laufenden Betrieb nicht ausreichend überprüft werden kann, so dass der Defekt nicht erkannt wird. Noch weniger Möglichkeiten bietet der Stand der Technik bezüglich der Diagnostizierung nicht nur des Hall-Sensor-Elements selbst, sondern auch der dem Hall-Sensor zugeordneten Auswerteelektronik, die zusammen mit dem eigentlichen Sensorelement zumeist in einem einheitlichen Chipgehäuse untergebracht ist. Aus der Druckschrift DE 100 47 994 Al ist ein Hall-Sensor-Bauelement bekannt, bei dem eine Diagnose des Hall-Sensors im eingebauten Zustand dadurch durchgeführt werden kann, dass der Strom, der das Hall-Sensor-Bauelement durchfließt, zyklisch verändert wird, und indem aus einer dementsprechenden Veränderung der Sensor-Ausgangsspannung auf die Funktionsfähigkeit des Sensors rückgeschlossen wird. Bei dieser bekannten Lehre kann jedoch nur im Sinne einer qualitativen Analyse festgestellt werden, ob das Hall-Sensor-Bauelement und/oder die nachgeschaltete Auswerteelektronik überhaupt funktioniert, oder ob ein Ausfall einer der Komponenten vorliegt. Hingegen ist es weder möglich, festzustellen, ob bei einem Ausfall das Hall-Sensor-Bauelement selbst oder die Auswerteelektronik betroffen ist, noch kann eine quantitative Analyse dergestalt erfolgen, dass überprüft werden kann, ob das Ausgangssignal des Sensors beispielsweise durch externe Einflüsse verfälscht wurde. So ist es bei dieser bekannten Lehre auch nicht möglich festzustellen, ob das Hall-Sensor-Bauelement beispielsweise mechanisch verspannt ist und aus diesem Grund ein verfälschtes Signal abgibt. Denn auch in diesem Fall lässt sich nicht feststellen, ob die Veränderung des Ausgangssignal des Hall-Sensor-Bauelements auf eine mechanische Verspannung bzw. auf einen anderen Fehler des Hall-Sensor-Bauelements zurückgeht, oder aber tatsächlich einer Veränderung des gemessenen Magnetfelds entspricht.Hall sensor components can not be adequately checked when installed or during operation so that the defect is not detected. The prior art still offers fewer possibilities with regard to the diagnosis not only of the Hall sensor element itself, but also of the evaluation electronics associated with the Hall sensor, which, together with the actual sensor element, is usually accommodated in a uniform chip housing. From the document DE 100 47 994 A1, a Hall sensor component is known in which a diagnosis of the Hall sensor in the installed state can be carried out by cyclically changing the current flowing through the Hall sensor component, and by deducing from a corresponding change in the sensor output voltage on the functionality of the sensor. In this known teaching, however, can be determined only in the sense of a qualitative analysis, whether the Hall sensor device and / or the downstream evaluation works at all, or whether a failure of one of the components is present. On the other hand, it is neither possible to determine whether the Hall sensor component itself or the transmitter is affected in a failure, nor can a quantitative analysis be made such that it can be checked whether the output signal of the sensor has been falsified, for example, by external influences. So it is not possible to determine in this known teaching, whether the Hall sensor device, for example, is mechanically clamped and for this reason emits a corrupted signal. Even in this case, it can not be determined whether the change in the output signal of the Hall sensor component is due to a mechanical strain or to another error of the Hall sensor component, or actually corresponds to a change in the measured magnetic field.
Mit diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine diagnostizierbare Sensoreinrichtung mit einer Hall-Sonde, bzw. ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung zu schaffen, womit eine umfassende Diagnose der Sensoreinrichtung erfolgen kann. Insbesondere soll die Erfindung dabei ermöglichen, eine Diagnose des Hall-Sensor-Bauelements wie auch der Auswerteelektronik des Hall-Sensor-Bauelements durchzuführen. Überdies soll nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Diagnose derWith this background, it is the object of the present invention to provide a diagnosable sensor device with a Hall probe, or a method for functional diagnosis of a Hall sensor device, with which a comprehensive diagnosis of the sensor device can take place. In particular, the invention should make it possible to carry out a diagnosis of the Hall sensor component as well as the evaluation of the Hall sensor device. Moreover, not only a qualitative, but also a quantitative diagnosis of
Sensoreinrichtung ermöglicht werden, wodurch auch eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung, bzw. eine Eliminierung von Messfehlern ermöglicht werden soll, die beispielsweise aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen auftreten .Sensor device are made possible, whereby a calibration of the sensor device, or an elimination of measurement errors should be made possible, which occur for example due to changing environmental conditions.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine diagnostizierbare Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Funktionsdiagnose für eine Hall-Sensoreinrichtung gemäß Patentanspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a diagnosable measuring device according to patent claim 1 or by a method for functional diagnosis for a Hall sensor device according to patent claim 9. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
In für sich genommen zunächst bekannter Weise dient die Messvorrichtung der Ermittlung der Feldstärke eines Magnetfelds. Hierzu umfasst die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung mit zumindest einer Hall-Sonde. Die Hall-Sonde ist dabei zur Erzeugung einer Hall-Spannung in Abhängigkeit des die Hall-Sonde durchdringenden Magnetfeldes sowie in Abhängigkeit eines durch die Hall-Sonde fließenden Speisestroms eingerichtet .In a manner initially known per se, the measuring device serves to determine the field strength of a magnetic field. For this purpose, the measuring device comprises a sensor device with at least one Hall probe. The Hall probe is set up to generate a Hall voltage as a function of the magnetic field penetrating the Hall probe as well as as a function of a feed current flowing through the Hall probe.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Messvorrichtung jedoch durch einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Hall-Sonde angeordneten elektrischen Diagnoseleiter, sowie durch eine Treibereinrichtung zur Erzeugung eines bestimmten elektrischen Diagnosestroms durch den Diagnoseleiter aus.According to the invention, however, the measuring device is characterized by a galvanically isolated from the Hall probe, preferably in the immediate vicinity of the Hall probe arranged electrical diagnostic conductor, as well as by a driver device for generating a specific electrical diagnostic current through the diagnostic director.
Dabei erzeugt der Diagnoseleiter, durch den mittels der Treibereinrichtung ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom geleitet wird, ein durch den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld, welches wiederum auf die Hall-Sonde wirkt. Hierdurch wird in der Hall-Sonde eine Hall-Spannung einer bestimmten Größe erzeugt. Diese durch den Diagnosestrom hervorgerufene Hall-Spannung lässt sich auswerten und infolge der Auswertung können Rückschlüsse auf die Funktion der Hall-Sonde wie auch auf die Funktion der Auswerteelektronik der Hall-Sonde gezogen werden.In this case, the diagnostic conductor, by means of which a specific electrical diagnostic current is conducted by means of the driver device, generates a magnetic field caused by the diagnostic current, which in turn acts on the Hall probe. As a result, a Hall voltage of a certain size is generated in the Hall probe. This Hall voltage caused by the diagnostic current can be evaluated and, as a result of the evaluation, conclusions can be drawn regarding the function of the Hall probe as well as the function of the evaluation electronics of the Hall probe.
Insbesondere kann auch ein Zusammenhang zwischen der Größe des Diagnosestroms und der Größe der dadurch hervorgerufenen Hall-Spannung hergestellt werden, da einer bestimmten Größe des Diagnosestroms eine bestimmte Magnetfeldstärke des Diagnoseleiters und damit auch ein bestimmter Sollwert der mit dieser Magnetfeldstärke verbundenen Hall-Spannung zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Hall-Sonde bzw. deren Auswerteelektronik ziehen. Bei entsprechend genauer Auswertung kann sogar eine Kalibrierung der Hall-Sonde bzw. der Messvorrichtung erfolgen, indem aus der bekannten Größe des Diagnosestroms und aus der Größe der dadurch hervorgerufenen Hall-Spannung sowie aus dem Sollwert der mit diesem Diagnosestrom verbundenen Hall-Spannung ein entsprechender Korrekturwert ermittelt wird. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperaturkompensation der Hall-Sonde erfolgen, so dass sich die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität der Hall-Sonde erheblich verbessern lässt.In particular, a relationship between the size of the diagnostic current and the size of the resulting Hall voltage can be produced because a particular size of the diagnostic current is assigned a specific magnetic field strength of the diagnostic conductor and thus a certain setpoint associated with this magnetic field strength Hall voltage. In this way, not only qualitative, but also quantitative conclusions can be drawn on the functionality of the Hall probe or its evaluation electronics. With a correspondingly accurate evaluation, it is even possible to calibrate the Hall probe or the measuring device by selecting from the known size of the diagnostic current and from the magnitude of the resulting Hall voltage as well as from the desired value of this diagnostic current connected Hall voltage a corresponding correction value is determined. This allows, for example, a temperature compensation of the Hall probe, so that the accuracy, reliability and temperature stability of the Hall probe can be significantly improved.
Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden somit diagnostizierbare Magnetfeldsensoren geschaffen, die bevorzugt dort eingesetzt werden können, wo aus Sicherheitsgründen eine zuverlässige Erkennung des Ausfalls des Sensors erforderlich ist, beispielsweise um beim Ausfall von Sensoren Schaden von Personen oder Einrichtungen abzuwenden.With the measuring device according to the invention thus diagnosable magnetic field sensors are provided, which can preferably be used where, for safety reasons, a reliable detection of the failure of the sensor is required, for example, to prevent damage to persons or facilities in case of failure of sensors.
Auch ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung im Unterschied zum Stand der Technik dazu in der Lage, die Funktionsfähigkeit des Hall-Sensors bzw. der Auswerteelektronik zu testen, ohne dass hierzu ein externes Magnetfeld vorhanden sein muss, wie dies bei dem zitierten Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr wird das der Diagnose zugrundeliegende Magnetfeld erfindungsgemäß durch den Diagnoseleiter und den Diagnosestrom selbst erzeugt, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, dass die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds bekannt ist, bzw. je nach Erfordernis eingestellt werden kann. So kann beispielsweise auch eine mechanische Verspannung der Hall-Sonde erkannt bzw. diagnostiziert werden, da diese zu einer entsprechenden Verfälschung der Hall-Spannung führt, welche aber anhand des erfindungsgemäß bekannten Diagnosestroms und des damit ebenfalls bekannten Diagnosemagnetfelds registriert werden kann.In contrast to the prior art, the measuring device according to the invention is also able to test the functionality of the Hall sensor or of the evaluation electronics without the need for an external magnetic field, as is the case with the cited prior art , Rather, the magnetic field underlying the diagnosis is generated according to the invention by the diagnostic conductor and the diagnostic current itself, which has the additional advantage that the field strength of the diagnostic magnetic field is known, or can be adjusted as required. Thus, for example, a mechanical distortion of the Hall probe can be detected or diagnosed, since this leads to a corresponding distortion of the Hall voltage, which, however, can be registered on the basis of the diagnostic current known according to the invention and the diagnosis magnetic field also known therewith.
Die galvanische Trennung zwischen dem Diagnoseleiter und der Hall-Sonde trägt zu einer besonders sicheren Diagnose sowie zu einem Schutz der Hall-Sonde vor der Diagnosespannung bzw. dem Diagnosestrom bei.The galvanic isolation between the diagnostic conductor and the Hall probe contributes to a particularly reliable diagnosis as well as to a protection of the Hall probe from the diagnostic voltage or the diagnostic current.
Die Erfindung lässt sich dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklichen, welcher Art und Größe der Diagnosestrom ist, solange die den Diagnosestrom bestimmenden Variablen bekannt sind, woraus sich auch die Feldstärke des Diagnosemagnetfelds und damit auch die Sollgröße der durch das Diagnosemagnetfelds erzeugten Hall-Spannung berechnen lässt.The invention can first be realized regardless of what type and size of the diagnostic current, as long as the variables determining the diagnostic current are known, from which the field strength of the diagnostic magnetic field and thus also the desired size of the Hall voltage generated by the diagnostic magnetic field can be calculated ,
Gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weist der Diagnosestrom jedoch eine sich in bekannter Weise zyklisch verändernde Stromstärke auf, bzw. ist dem Diagnosestrom ein festgelegtes, bekanntes Pulsmuster aufgeprägt. Auf diese Weise ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die von der Hall-Sonde abgegebene Hall-Spannung in eine Mess-Teilspannung und in eine Diagnose-Teilspannung aufzuspalten. Dies ist vorteilhaft insofern, als somit eine vollständige, gegebenenfalls quantitative Diagnose der Hall-Sonde auch dann erfolgen kann, wenn externe Magnetfelder oder Störmagnetfelder von bekannter oder unbekannter Größe vorhanden sind.According to particularly preferred embodiments of the invention, however, the diagnostic current has a cyclically varying current intensity in a known manner, or the diagnostic current is impressed on a fixed, known pulse pattern. In this way, the advantageous results Ability to split the Hall voltage delivered by the Hall probe into a measured sub-voltage and a diagnostic sub-voltage. This is advantageous insofar as a complete, possibly quantitative, diagnosis of the Hall probe can thus also take place if external magnetic fields or interference magnetic fields of known or unknown size are present.
Denn insbesondere dann, wenn der Diagnosestrom in Form eines bekannten Pulsmusters vorliegt, lässt sich ein entsprechendes Pulsmuster auch bei der von der Hall-Sonde abgegebenen Hall-Spannung feststellen. Anhand der Anzahl und insbesondere der Höhe der in der Hall-Spannung vorhandenen Pulse kann somit eine Separierung zwischen dem gegebenenfalls mit einem Meßsignal überlagerten Diagnosesignal und dem Meßsignal erfolgen. Insbesondere kann die Amplitude der in der Hall-Spannung vorhandenen Pulse gemessen werden, woraufhin auf Basis dieser gemessenen Amplitude sowie auf Basis der bekannten Amplitude des Diagnosestroms wieder eine vollständige Diagnose der Messvorrichtung bzw. der Hall-Sonde erfolgen kann, wie obenstehend beschrieben.In particular, when the diagnostic current is in the form of a known pulse pattern, a corresponding pulse pattern can also be detected at the Hall voltage output by the Hall probe. On the basis of the number and in particular the height of the pulses present in the Hall voltage, a separation between the optionally superimposed with a measurement signal diagnostic signal and the measurement signal can thus take place. In particular, the amplitude of the pulses present in the Hall voltage can be measured, whereupon, based on this measured amplitude and on the basis of the known amplitude of the diagnostic current, a complete diagnosis of the measuring device or the Hall probe can again take place, as described above.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Hall-Sonde und Diagnoseleiter gemeinsam in einem Sondengehäuse angeordnet bzw. vergossen. Dabei kann es sich insbesondere um ein Chipgehäuse handeln, in welchem die Hall-Sonde und deren Auswerteelektronik wie auch der Diagnoseleiter untergebracht sind. Dies hat den Vorteil, dass die Relativposition zwischen Diagnoseleiter und Hall-Sonde exakt und unveränderlich festgelegt ist, so dass keine eigene Kalibrierung des vom Diagnoseleiter im Bereich der Hall-Sonde erzeugten Magnetfelds erfolgen muss. Ferner ergibt sich hierdurch ein optimaler Schutz des Diagnoseleiters und eine optimale Handhabung der Sensoreinrichtung.According to a further, particularly preferred embodiment of the invention, the Hall probe and the diagnostic conductor are arranged or encapsulated together in a probe housing. This may in particular be a chip housing in which the Hall probe and its evaluation as well as the diagnostic conductor are housed. This has the advantage that the relative position between the diagnostic conductor and the Hall probe is set exactly and invariably, so that no separate calibration of the magnetic field generated by the diagnostic conductor in the region of the Hall probe has to take place. Furthermore, this results in an optimal protection of the diagnostic conductor and optimal handling of the sensor device.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass es sich bei der Sensoreinrichtung um einen integrierten Strommeßsensor handelt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Diagnoseleiter durch den im Chipgehäuse des Strommeßsensors angeordneten Nebenschlusswiderstand bzw. Meßshunt gebildet ist, wobei der Strommeßsensor in diesem Fall nicht zur Messung einer unbekannten Stromstärke herangezogen wird, sondern mittels Vorgabe einer bekannten Stromstärke in Form des Diagnosestroms zur Messung eines Magnetfelds unbekannter Größe bei gleichzeitiger Diagnostizierung des Sensors und der Auswerteelektronik dient.A further preferred embodiment of the invention provides that the sensor device is an integrated current measuring sensor. In other words, this means that the diagnostic conductor is formed by the shunt resistor or measuring shunt arranged in the chip housing of the current measuring sensor, wherein the current measuring sensor is not used in this case to measure an unknown current intensity, but instead by measuring a known current intensity in the form of the diagnostic current a magnetic field unknown size with simultaneous diagnosis of the sensor and the transmitter is used.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Messvorrichtung durch einen zusätzlichen, relativ zur Sensoreinrichtung bzw. zur Hall-Sonde beweglich angeordneten Magneten aus. Dabei erfolgt anhand der durch das Magnetfeld des Magneten erzeugten Hall-Spannung der Hall-Sonde eine Bestimmung der Relativposition bzw. des Abstands zwischen Sensoreinrichtung und Magnet. Vorzugsweise sind dabei Sensoreinrichtung und Magnet relativ zueinander drehbar bzw. relativ zueinander verschiebbar angeordnet .According to a further, particularly preferred embodiment of the invention, the measuring device is characterized by an additional magnet which is movably arranged relative to the sensor device or to the Hall probe. In this case, based on the generated by the magnetic field of the magnet Hall voltage of the Hall probe, a determination of the relative position or the distance between the sensor device and the magnet. Preferably, the sensor device and the magnet are arranged so as to be rotatable relative to one another or displaceable relative to one another.
Dies ermöglicht, die Messvorrichtung allgemein zur Bestimmung der Relativposition zweier relativbeweglicher mechanischer Bauteile einzusetzen, indem die Sensoreinrichtung an einem der relativbeweglichen Bauteile und der Magnet an dem anderen der beiden relativbeweglichen Bauteile angeordnet wird.This makes it possible to use the measuring device in general for determining the relative position of two relatively movable mechanical components by arranging the sensor device on one of the relatively movable components and the magnet on the other of the two relatively movable components.
Mit diesem Hintergrund ergibt sich ein mögliches und bevorzugtes Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Messvorrichtung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere bei Betätigungseinrichtungen für shift-by-wire-gesteuerte Gangwechselgetriebe von Kraftfahrzeugen. Hierbei werden Hall-Sensor-Messvorrichtungen insbesondere zur verschleiß- und reibungsarmen Ermittlung der Schaltposition von Betätigungshebeln eingesetzt .With this background, there is a possible and preferred field of use for the measuring device according to the invention in the field of motor vehicle electronics, in particular for actuators for shift-by-wire-controlled gear change transmissions of motor vehicles. Here, Hall sensor measuring devices are used in particular for the low-wear and low-friction determination of the switching position of operating levers.
Bei derartigen Betätigungseinrichtungen kann - zur Ermittlung des aktuellen Schaltzustands des Getriebe-Betätigungshebels in der Fahrgastkabine - beispielsweise am Betätigungshebel ein Magnet angeordnet sein, der bei einer bestimmten Schaltstellung ein Magnetfeld bestimmter Größe im Wirkbereich der Sensoreinrichtung bzw. der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung erzeugt.In such actuators can - for determining the current switching state of the transmission operating lever in the passenger cabin - be arranged for example on the operating lever, a magnet which generates a magnetic field of a certain size in the effective range of the sensor device or the Hall probe of the sensor device at a certain switching position.
Wird somit für diese Anwendung am Kraftfahrzeug auf die erfindungsgemäße Messvorrichtung zurückgegriffen, so können Störungen oder kann ein Ausfall der Sensoreinrichtung von einer im Kraftfahrzeug angeordneten Diagnoseelektronik ohne weiteres erkannt und entsprechend diagnostiziert werden. Ferner ist es möglich, mittels der im Kraftfahrzeug angeordneten Diagnoseelektronik permanent die Funktionsfähigkeit der in der Getriebe-Betätigungseinrichtung verwendeten Hall-Sensoreinrichtung zu überwachen und gegebenenfalls zu korrigieren. Werden Störungen oder Ausfälle der Sensoreinrichtung erkannt, so ist es möglich, dem Fahrer dies zu signalisieren bzw. ein dem Ausfall zugeordnetes Sicherheitsprogramm ablaufen zu lassen. Auf diese Weise kann eine mögliche Fehlbetätigung des Getriebes verhindert und somit ein möglicher Schaden vom Fahrer bzw. vom Fahrzeug abgewendet werden.If the measuring device according to the invention is thus used for this application on the motor vehicle, faults or a failure of the sensor device can easily be detected by a diagnostic electronics arranged in the motor vehicle and correspondingly diagnosed. It is also possible by means of arranged in the motor vehicle diagnostic electronics permanently the functionality of the in the To monitor transmission actuator used Hall sensor device and correct if necessary. If faults or failures of the sensor device are detected, it is possible to signal this to the driver or to run a safety program assigned to the failure. In this way, a possible incorrect operation of the transmission can be prevented and thus a possible damage by the driver or the vehicle can be averted.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung. Dabei umfasst die Hall-Sensoreinrichtung zumindest eine Hall-Sonde, einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Diagnoseleiter sowie eine Treibereinrichtung. Die Treibereinrichtung dient dabei der Aufprägung eines mit vorgegebenem Amplitudenverlauf veränderlichen elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die nachfolgend angegebenen Verfahrensschritte .The invention further relates to a method for functional diagnosis of a Hall sensor device. In this case, the Hall sensor device comprises at least one Hall probe, a galvanically isolated from the Hall probe diagnostic conductors and a driver device. The driver device serves to impress a variable with a predetermined amplitude waveform electrical diagnostic current to the diagnostic ladder. The method according to the invention comprises the following method steps.
Zunächst wird durch die Steuerelektronik der Sensoreinrichtung ein definierter Speisestrom erzeugt, der die Hall-Sonde als Voraussetzung der Messung von Hall-Spannungen durchfließt.First, a defined supply current is generated by the control electronics of the sensor device, which flows through the Hall probe as a prerequisite for the measurement of Hall voltages.
Anschließend erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Aufprägung des elektrischen Diagnosestroms auf den Diagnoseleiter. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass eine entsprechende Treiberschaltung dafür sorgt, dass der Diagnoseleiter von dem mit vorgegebener Periode veränderlichen elektrischen Diagnosestrom durchflössen wird. Dabei ist die Reihenfolge dieser beiden ersten Verfahrensschritte beliebig bzw. unerheblich.Subsequently, in a further process step, the impressing of the electrical diagnostic current on the diagnostic manager. In other words, this means that a corresponding driver circuit ensures that the diagnostic conductor is traversed by the variable periodic electrical diagnostic current. The order of these two first method steps is arbitrary or insignificant.
Anschließend erfolgt in einem weiteren Verfahrenschritt die Bestimmung der von der Hall-Sonde erzeugten Hall-Spannung, welche in einem weiteren Verfahrenschritt in die Mess-Teilspannung und die Diagnose-Teilspannung aufgespalten wird. Die Aufspaltung der Hall-Spannung in die Mess-Teilspannung und die Diagnose-Teilspannung kann prinzipiell durch einfache Differenzbildung erfolgen, da der Amplitudenverlauf des Diagnosestroms und somit die Sollgröße der vom Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Spannung bekannt ist. Durch Differenzbildung zwischen der von der Hall-Sonde abgegebenen Hall-Spannung und der Sollgröße der von dem pulsierenden Diagnosestrom hervorgerufenen Hall-Teilspannung kann somit die Mess-Teilspannung der Hall-Sonde ermittelt werden.Subsequently, in a further method step, the determination of the Hall voltage generated by the Hall probe, which is split in a further method step in the measurement sub-voltage and the diagnostic sub-voltage. The splitting of the Hall voltage into the measured partial voltage and the diagnostic partial voltage can in principle be effected by simple subtraction, since the amplitude characteristic of the diagnostic current and thus the nominal size of the Hall voltage produced by the diagnostic current are known. By subtraction between the output from the Hall probe Hall voltage and the desired size caused by the pulsating diagnostic current Hall partial voltage can thus be determined, the measurement partial voltage of the Hall probe.
Auf diese Weise sind somit sowohl die Mess-Teilspannung - als Maß eines etwa auf die Hall-Sonde wirkenden externen Magnetfelds - als auch die Diagnose-Teilspannung - als Maß des durch den Diagnosestrom erzeugten Magnetfelds - bekannt und können im Anschluss in einem weiteren Verfahrenschritt somit separat ausgewertet werden.In this way, both the measured partial voltage - as a measure of an external magnetic field acting approximately on the Hall probe - and the diagnostic partial voltage - as a measure of the magnetic field generated by the diagnostic current - are known and can subsequently be used in a further method step be evaluated separately.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine permanente Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung auch während des normalen Betriebs. Aufgrund der Überlagerung des mittels Diagnosestrom und Diagnoseleiter erzeugten Diagnosemagnetfelds mit einem etwaigen externen Magnetfeld beispielsweise eines Permanentmagneten und anschließender Wiederauftrennung des Signals der Hall-Sonde in die Diagnose-Teilspannung und die Mess-Teilspannung findet keine gegenseitige Beeinflussung der Mess- und Diagnosesignale statt.The inventive method thus enables a permanent diagnosis of the Hall sensor device even during normal operation. Due to the superimposition of the diagnostic magnetic field generated by means of diagnostic current and diagnostic conductor with a possible external magnetic field, for example, a permanent magnet and subsequent re-separation of the signal of the Hall probe in the diagnostic sub-voltage and the measuring sub-voltage, no mutual influence of the measurement and diagnostic signals takes place.
Dabei kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur eine qualitative Diagnose daraufhin erfolgen, ob die Funktion der Hall-Sensoreinrichtung gegeben ist oder nicht, sondern auch eine quantitative Diagnose daraufhin, ob das Signal der Hall-Sonde korrekt und proportional zum jeweils vorliegenden Magnetfeld ist. Aus diesem Grund ist es dank des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, eine permanente Überwachung und gegebenenfalls Kalibrierung der Hall-Sonde durchzuführen. Dies kann beispielsweise dann notwendig werden, wenn Signalverfälschungen aufgrund von Temperaturdrift oder aufgrund von mechanischen Verspannungen der Hall-Sonde aufgetreten sind.Thanks to the method according to the invention, not only can a qualitative diagnosis be made as to whether the function of the Hall sensor device is given or not, but also a quantitative diagnosis as to whether the Hall probe signal is correct and proportional to the particular magnetic field present. For this reason, thanks to the method according to the invention, it is also possible to carry out permanent monitoring and, if appropriate, calibration of the Hall probe. This may be necessary, for example, when signal distortions have occurred due to temperature drift or due to mechanical stresses of the Hall probe.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zunächst einmal unabhängig davon verwirklichen, welchen Amplitudenverlauf der veränderliche elektrische Diagnosestrom aufweist, solange dieser Verlauf bekannt bzw. exakt vorherbestimmbar ist und sich somit die Diagnose-Teilspannung von der Mess-Teilspannung mittels Differenzbildung wieder trennen lässt.The method according to the invention can first of all be realized independently of which amplitude variation the variable electrical diagnostic current has, as long as this profile is known or exactly predeterminable and thus the diagnosis partial voltage can be separated again from the measured partial voltage by subtraction.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der elektrische Diagnosestrom jedoch einen pulsförmigen Amplitudenverlauf auf. Der pulsförmige Amplitudenverlauf ist insbesondere insofern vorteilhaft, als die Pulse sich aufgrund ihrer hohen Flankensteilheit besonders einfach und exakt im Ausgangssignal der Hall-Sonde erkennen lassen und somit zuverlässig von der Mess-Teilspannung separiert werden können.According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, however, the electrical diagnostic current has a pulse-shaped amplitude characteristic. The pulse-shaped amplitude characteristic is particularly advantageous in that the pulses are due to their high Slope steepness particularly simple and accurate in the output signal of the Hall probe detect and thus can be reliably separated from the measuring partial voltage.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Rahmen der Auswertung des Ausgangssignals der Hall-Sonde eine Auswertung der Anzahl innerhalb einer vorbestimmten Zeit erfassten Pulse, bzw. eine Auswertung der Amplitude der Pulse. Die Auswertung der Anzahl der Pulse kann dabei insbesondere im Rahmen einer einfacheren, qualitativen Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung erfolgen, bei der auf einen Ausfall der Sensoreinrichtung geschlossen werden kann, wenn innerhalb einer bestimmten festgelegten Zeit nicht dieselbe Anzahl an Pulsen registriert wird, wie sie der Anzahl der Pulse des eingespeisten Diagnosestroms entspricht. Im Unterschied dazu ermöglicht die Auswertung der Pulsamplitude der Diagnose-Teilspannung insbesondere auch eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung der Sensoreinrichtung, wie obenstehend beschrieben.According to further preferred embodiments of the method according to the invention, an evaluation of the number of pulses detected within a predetermined time, or an evaluation of the amplitude of the pulses, takes place within the scope of the evaluation of the output signal of the Hall probe. The evaluation of the number of pulses can be carried out in particular in the context of a simpler, qualitative diagnosis of the Hall sensor device in which a failure of the sensor device can be inferred if not the same number of pulses is registered within a certain specified time as the Number of pulses of the injected diagnostic current corresponds. In contrast to this, the evaluation of the pulse amplitude of the diagnostic partial voltage in particular also enables a quantitative diagnosis or calibration of the sensor device, as described above.
Mit dem Hintergrund des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere im Umfeld der Betätigung eines Gangwechselgetriebes mittels eines Betätigungselements ist es gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, dass an einem relativ zur Sensoreinrichtung beweglichen Bauteil ein Magnet angeordnet ist. Dabei erfolgt anhand der Mess-Teilspannung eine Bestimmung der Relativposition zwischen der Sensoreinrichtung und dem Magneten. Vorzugsweise wird damit die Position des Wählhebels eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes erfasst, indem die Sensoreinrichtung bzw. der Magnet an einem Sockel bzw. am Wählhebel der Betätigungseinrichtung so angeordnet werden, dass bei Bewegungen des Wählhebels eine Relativbewegung zwischen der Sensoreinrichtung und dem Magneten erfolgt. Diese Relativbewegung führt zu einer Veränderung des im Bereich der Sensoreinrichtung bzw. im Bereich der Hall-Sonde der Sensoreinrichtung wirksamen Magnetfelds des Magneten, wodurch - nach entsprechender Kalibrierung - auf die jeweilige Relativposition zwischen dem Wählhebel und dem Sockel der Betätigungseinrichtung geschlossen werden kann.With the background of the use of the method according to the invention in a motor vehicle, in particular in the context of the operation of a gear change transmission by means of an actuating element, it is provided according to further preferred embodiments of the invention that a magnet is arranged on a relative to the sensor device movable member. In this case, a determination of the relative position between the sensor device and the magnet takes place on the basis of the measured partial voltage. Preferably, the position of the selector lever of a vehicle gear change transmission is thus detected by the sensor device or the magnet are arranged on a pedestal or on the selector lever of the actuator so that upon movement of the selector lever, a relative movement between the sensor device and the magnet takes place. This relative movement leads to a change in the effective magnetic field of the magnet in the region of the sensor device or in the region of the Hall probe of the sensor device, whereby - after appropriate calibration - can be closed to the respective relative position between the selector lever and the base of the actuator.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 in schematischer Ansicht die Sensoreinrichtung einerIn the following the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments illustrative drawings. It shows: Fig. 1 is a schematic view of the sensor device a
Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Measuring device according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;Fig. 2 in a representation corresponding to Fig. 1, an embodiment of a measuring device according to the present invention;
Fig. 3 in einer schematischen Diagrammdarstellung die Ausgangsspannung der Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß Fig. 2 im Leerlauf;3 is a schematic diagram of the output voltage of the Hall probe of the measuring device according to FIG. 2 in idle mode;
Fig. 4 in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung die Ausgangsspannung der Hall-Sonde der Messvorrichtung gemäß Fig. 2 und Fig. 3 während des Betriebs;4 in a representation corresponding to FIG. 3, the output voltage of the Hall probe of the measuring device according to FIG. 2 and FIG. 3 during operation; FIG.
Fig. 5 in einer isometrischen Darstellung eine Anordnung ausFig. 5 in an isometric view of an arrangement
Sensoreinrichtung und Magnet einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung; undSensor device and magnet of a measuring device according to the invention; and
Fig. 6 in einer Fig. 5 entsprechenden Darstellung die Anordnung aus Sensoreinrichtung und Magnet gemäß Fig. 6 in der Untersicht.Fig. 6 in a Fig. 5 corresponding representation of the arrangement of sensor device and magnet of FIG. 6 in the bottom view.
Fig. 1 zeigt in einer höchst schematisch ausgeführtenFig. 1 shows in a highly schematically executed
Schaltungsdarstellung die Sensoreinrichtung 1 einer Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Circuit diagram of the sensor device 1 of a measuring device according to an embodiment of the present invention.
Man erkennt zunächst einmal eine Hall-Sonde 2, deren vier Kanten in der üblichen Weise mit einer elektronischen Speise- und Auswertungsschaltung 3 verbunden sind. Auf diese Weise kann die Hall-Sonde 2 mit dem für das Auftreten des Hall-Effekts notwendigen Speisestrom beaufschlagt werden, und es kann beim Auftreten von Magnetfeldern an den zum Speisestrom parallelen seitlichen Kanten der Hall-Sonde 2 die entsprechende Hall-Spannung abgegriffen und registriert werden .It can be seen first of all a Hall probe 2, the four edges are connected in the usual way with an electronic supply and evaluation circuit 3. In this way, the Hall probe 2 can be acted upon by the supply current necessary for the occurrence of the Hall effect, and it can be tapped at the occurrence of magnetic fields at the parallel to the feed current side edges of the Hall probe 2, the corresponding Hall voltage and registered become .
Die dargestellte Sensoreinrichtung 1 umfasst einen galvanisch von der Hall-Sonde 2 getrennten Diagnoseleiter 4, der von einerThe illustrated sensor device 1 comprises a galvanically isolated from the Hall probe 2 diagnostic conductor 4, which is a
Treibereinrichtung 8 (in Fig. 1 nicht dargestellt, vgl. Fig. 2) gespeist werden kann dergestalt, dass ein bestimmter elektrischer Diagnosestrom im Diagnoseleiter 4 fließt. Der durch den Diagnoseleiter 4 fließende Diagnosestrom führt dazu, dass sich um den Diagnoseleiter herum ein durch den Diagnosestrom hervorgerufenes Magnetfeld 5 aufbaut. Dieses Magnetfeld 5 tritt auch durch die Hall-Sonde 2 hindurch und führt dort somit zur Erzeugung einer dementsprechenden Hall-Spannung an den parallel zum Speisestrom durch die Hall-Sonde 2 verlaufenden beiden Kanten der Hall-Sonde 2.Driver device 8 (not shown in Fig. 1, see Fig. 2) can be fed such that a certain electrical diagnostic current in the diagnostic conductor 4 flows. The diagnostic current flowing through the diagnostic conductor 4 causes a magnetic field 5 caused by the diagnostic current to build up around the diagnostic conductor. This magnetic field 5 also passes through the Hall probe 2 and thus leads there to produce a corresponding Hall voltage at the parallel to the feed current through the Hall probe 2 extending two edges of the Hall probe. 2
Die Hall-Spannung wird von der Auswertungsschaltung 3 der Sensoreinrichtung aufgenommen, verstärkt und als entsprechendes Signal über einen Ausgang 6 der Sensoreinrichtung ausgegeben.The Hall voltage is received by the evaluation circuit 3 of the sensor device, amplified and output as a corresponding signal via an output 6 of the sensor device.
Fig. 2 zeigt, wie die Sensoreinrichtung 1 aus Fig. 1 in eine erfindungsgemäße Messvorrichtung eingebunden ist. Außer der Sensoreinrichtung 1 gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 zunächst einmal ein relativ zur Sensoreinrichtung 1 beweglicher Magnet 7 erkennbar. Beispielsweise kann der Magnet 7 am Wählhebel einerFIG. 2 shows how the sensor device 1 from FIG. 1 is integrated into a measuring device according to the invention. In addition to the sensor device 1 according to FIG. 1, a magnet 7 which is movable relative to the sensor device 1 is initially recognizable in FIG. For example, the magnet 7 on the selector lever
Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe angeordnet sein, während die Sensoreinrichtung 1 am Gehäuse bzw. am Sockel der Betätigungseinrichtung angeordnet ist.Be arranged actuator for a gear change transmission, while the sensor device 1 is arranged on the housing or on the base of the actuator.
Neben der Sensoreinrichtung 1 umfasst die Messvorrichtung eine Treibereinrichtung 8, einen Vorwiderstand 9 sowie eineIn addition to the sensor device 1, the measuring device comprises a driver device 8, a series resistor 9 and a
Steuerelektronik 10. Die Steuerelektronik 10 koordiniert die gesamten Abläufe, die zur erfindungsgemäßen Diagnose der Sensoreinrichtung 1 erforderlich sind. Hierzu gehört zunächst einmal die Ansteuerung der Treibereinrichtung 8 durch ein von der Steuerelektronik 10 abgegebenes Rechtecksignal 11. Das Rechtecksignal 11 wird durch die Treibereinrichtung 8 verstärkt und in Form eines pulsierenden Diagnosestroms 12 mit rechteckigem Amplitudenverlauf dem in der Sensoreinrichtung 1 angeordneten Diagnoseleiter 4 aufgeprägt. Zur Begrenzung des durch den Diagnoseleiter 4 fließenden Stroms sowie zur Ermittlung der durch den Diagnoseleiter 4 fließenden Stromstärke umfasst die Messvorrichtung den Vorwiderstand 9. An dem Vorwiderstand 9 fällt eine zum Verlauf des Diagnosestroms 12 jeweils proportionale, ebenso wie der Diagnosestrom 12 pulsförmige Kontrollspannung 13 ab, welche wiederum der Steuerelektronik 10 zugeleitet wird.Control electronics 10. The control electronics 10 coordinates the entire processes that are required for the diagnosis of the sensor device 1 according to the invention. The rectangular signal 11 is amplified by the driver device 8 and imprinted in the form of a pulsating diagnostic current 12 with a rectangular amplitude characteristic to the diagnostic device 4 arranged in the sensor device 1. In order to limit the current flowing through the diagnostic conductor 4 and to determine the current flowing through the diagnostic conductor 4, the measuring device comprises the series resistor 9. At the series resistor 9 falls to the course of the diagnostic current 12 respectively proportional, as well as the diagnostic current 12 pulse-shaped control voltage 13, which in turn is fed to the control electronics 10.
Ferner ist die Steuerelektronik 10 noch mit dem Ausgang 6 der Sensoreinrichtung 1 verbunden, so dass auch das entsprechend verstärkte Signal 14 der Hall-Sonde 2 der Steuerelektronik 10 zugeleitet wird. Das von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Signal 14 der Hall-Sonde 2 stellt dabei zunächst einmal ein Summensignal 14 dar, das dem am Ort der Hall-Sonde 2 vorherrschenden, überlagerten Magnetfeld sowohl des Magneten 7 als auch des Diagnoseleiters 4 entspricht.Furthermore, the control electronics 10 is still connected to the output 6 of the sensor device 1, so that the correspondingly reinforced Signal 14 of the Hall probe 2 of the control electronics 10 is supplied. The signal 14 of the Hall probe 2 emitted by the sensor device 1 initially represents a summation signal 14 which corresponds to the superimposed magnetic field of both the magnet 7 and the diagnostic conductor 4 prevailing at the location of the Hall probe 2.
Sowohl aufgrund der bekannten Charakteristik der Treibereinrichtung 8 als auch aufgrund des über den Vorwiderstand 9 zurückgemessenen Diagnosestroms 12 ist die Stromstärke durch den Diagnoseleiter 4 und damit auch die Größe des vom Diagnoseleiter 4 erzeugten Magnetfelds 5 im Bereich der Hall-Sonde 2 jedoch bekannt. Aufgrund dieser bekannten Zusammenhänge lässt sich somit das von der Hall-Sonde 2 erzeugte Soll-Diagnosesignal errechnen und durch Überlagerung mit dem von der Hall-Sonde 2 abgegebenen Summensignal 14 somit auch wieder aus dem Summensignal 14 eliminieren, bzw. vom Summensignal 14 abtrennen, wodurch sich das auf den Magneten 7 zurückgehende, reine Analogsignal der Hall-Sonde ergibt.Both due to the known characteristics of the driver device 8 and due to the back-measured via the resistor 9 diagnostic current 12, the current through the diagnostic circuit 4 and thus the size of the magnetic field generated by the diagnostic 4 5 in the Hall probe 2 is known. Because of these known correlations, the setpoint diagnostic signal generated by the Hall probe 2 can thus be calculated and thus also eliminated again from the summation signal 14 or separated from the summation signal 14 by superposition with the sum signal 14 emitted by the Hall probe 2 the resulting on the magnet 7, pure analog signal of the Hall probe results.
In den Fig. 3 und 4 sind Beispiele für das von der Sensoreinrichtung 1 abgegebene Summensignal 14 dargestellt, wobei sich das Summensignal 14 wie oben ausgeführt zunächst aus einer Überlagerung der Magnetfelder des Magneten 7 und des Diagnoseleiters 4 ergibt.FIGS. 3 and 4 show examples of the sum signal 14 output by the sensor device 1, the sum signal 14 initially resulting, as explained above, from a superposition of the magnetic fields of the magnet 7 and of the diagnostic conductor 4.
Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung bzw. das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1 im Fall des Stillstands des Magneten 7 relativ zur Sensoreinrichtung 1, also beispielsweise das Signal der Sensoreinrichtung 1 einer Betätigungseinrichtung für ein Gangwechselgetriebe im Fall des unbewegten Betätigungshebels. Man erkennt, dass das entlang der Hochachse aufgetragene Meßsignal 15 als Bestandteil des Summensignals 14 über die Zeit (Rechtsachse) konstant bleibt. Von der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des Summensignals 14 kann dabei auf den Abstand zwischen Magnet 7 und Sensoreinrichtung 1, bzw. im Beispielfall auf die Absolutposition des Getriebe-Betätigungshebels geschlossen werden.Fig. 3 shows the output voltage or the sum signal 14 of the sensor device 1 in the case of the standstill of the magnet 7 relative to the sensor device 1, so for example the signal of the sensor device 1 of an actuator for a gear change in the case of stationary motion lever. It can be seen that the measured signal 15 applied along the vertical axis remains constant as a component of the sum signal 14 over time (right-hand axis). From the height of the measuring partial voltage 15 of the sum signal 14 can be closed on the distance between the magnet 7 and the sensor device 1, or in the example to the absolute position of the transmission operating lever.
Überlagert mit der Mess-Teilspannung 15 wird die aus dem pulsierenden Diagnosestrom 12 durch den Diagnoseleiter 4 resultierende ebenfalls pulsierende Diagnose-Teilspannung 16 erkennbar. Aus dem Vorhandensein und der Amplitude der Pulse der Diagnose-Teilspannung 16 kann damit erfindungsgemäß auf die Funktionsfähigkeit und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden, da die Stärke des Diagnosestroms 12, damit die Größe des vom Diagnosestrom 12 hervorgerufenen Magnetfelds und somit auch des Sollwerts des dadurch erzeugten Diagnosesignals bekannt ist und mit dem Istwert des Diagnosesignals 16 verglichen werden kann.Superimposed on the measurement partial voltage 15, the pulse voltage diagnostic voltage 12 resulting from the pulsating diagnostic current 12 through the diagnostic conductor 4 can be seen. From the presence and the amplitude of the pulses of the diagnostic sub-voltage 16 can thus According to the invention, conclusions are drawn as to the functionality and correct calibration of the sensor device 1, since the magnitude of the diagnostic current 12 is known so that the magnitude of the magnetic field produced by the diagnostic current 12 and thus also of the desired value of the diagnostic signal generated thereby can be compared with the actual value of the diagnostic signal 16 ,
Fig. 4 zeigt das Summensignal 14 der Sensoreinrichtung 1, wie es sich im Fall einer ungleichförmigen Bewegung des Magneten 7 relativ zur Sensoreinrichtung 1, bzw. im Fall einer dementsprechenden Bewegung eines mit der Sensoreinrichtung 1 ausgestatteten Getriebe-Betätigungshebels ergibt. Wieder besteht das Summensignal 14 aus einer Überlagerung der Mess-Teilspannung 15 einerseits, welche aus dem Magnetfeld des Magneten 7 resultiert, und der Diagnose-Teilspannung 16 andererseits, die aus dem pulsierenden Magnetfeld 5 des Diagnoseleiters 4 resultiert.4 shows the sum signal 14 of the sensor device 1, as it results in the case of a non-uniform movement of the magnet 7 relative to the sensor device 1, or in the case of a corresponding movement of a equipped with the sensor device 1 gear actuating lever. Again, the sum signal 14 consists of a superimposition of the measuring partial voltage 15 on the one hand, which results from the magnetic field of the magnet 7, and the diagnostic partial voltage 16 on the other hand, resulting from the pulsating magnetic field 5 of the diagnosis 4.
Auch hier lässt sich anhand der bekannten Soll-Größe der Amplitude des Diagnosesignals 16 wieder eine rechnerische Trennung der auf den Magneten 7 bzw. auf den Diagnosestrom 12 zurückgehenden Signale 15 und 16 vornehmen, und die beiden Signale 15 und 16 können somit getrennt ausgewertet werden. Auf diese Weise kann anhand der Auswertung der pulsierenden Diagnose-Teilspannung 16 auf die Funktionsfähigkeit und korrekte Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden, während anhand der Höhe der Mess-Teilspannung 15 des Summensignals 14 auf den Abstand zwischen dem Magneten 7 und der Sensoreinrichtung 1, bzw. auf die Relativposition eines Betätigungshebels relativ zur Sensoreinrichtung 1 rückgeschlossen werden kann.Again, based on the known target size of the amplitude of the diagnostic signal 16 again make a mathematical separation of the going back to the magnet 7 and the diagnostic current 12 signals 15 and 16, and the two signals 15 and 16 can thus be evaluated separately. In this way, conclusions can be drawn on the functionality and correct calibration of the sensor device 1 on the basis of the evaluation of the pulsating diagnostic partial voltage 16, while the height of the measured partial voltage 15 of the sum signal 14 on the distance between the magnet 7 and the sensor device 1, or can be deduced to the relative position of an actuating lever relative to the sensor device 1.
Insbesondere kann durch einen Vergleich der von der Sensoreinrichtung 1 abgegebenen Ist-Diagnose-Teilspannung 16 mit dem von der Steuerelektronik 10 errechneten Soll-Diagnosesignal eine quantitative Diagnose bzw. Kalibrierung der Sensoreinrichtung 1 durchgeführt werden. Ist beispielsweise die Amplitude des Ist-Diagnosesignals 16 größer als der errechnete bzw. gespeicherte Sollwert dieser Amplitude, so kann eine entsprechende Korrektur (hier eine Verringerung) des durch die Hall-Sonde 2 geleiteten Speisestroms erfolgen solange, bis der gemessene Istwert der Amplitude der Diagnose-Teilspannung 16 wieder mit dem Sollwert übereinstimmt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperaturdrift der Hall-Sonde 2, oder eine mechanische Verspannung der Hall-Sonde 2 erkannt und gegebenenfalls automatisch kompensiert werden, was die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit der Messvorrichtung maßgeblich verbessern kann.In particular, a quantitative diagnosis or calibration of the sensor device 1 can be carried out by comparing the actual diagnostic partial voltage 16 output by the sensor device 1 with the desired diagnostic signal calculated by the control electronics 10. If, for example, the amplitude of the actual diagnostic signal 16 is greater than the calculated or stored desired value of this amplitude, then a corresponding correction (in this case a reduction) of the supply current conducted through the Hall probe 2 can take place until the measured actual value of the amplitude of the diagnosis Sub-voltage 16 again coincides with the desired value. In this way, for example, a temperature drift of the Hall probe 2, or a mechanical strain of the Hall probe 2 detected and optionally automatically compensated, which can significantly improve the reliability and measurement accuracy of the measuring device.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Man erkennt jeweils zunächst ein pfannenförmiges Gehäuse 17, das vorzugsweise aus Metall gebildet ist, um eine optimale Abschirmung der Sensoreinrichtung 1 gegenüber Störfeldern zu gewährleisten. Das Gehäuse 17 steht über einen Ausleger 18 in Eingriff mit einem beweglichen Koppelstift 19, wobei der bewegliche Koppelstift 19 wiederum mit einem (nicht dargestellten) Wählhebel eines Gangwechselgetriebes verbunden ist, und den Bewegungen des Wählhebels somit folgt.FIGS. 5 and 6 show another embodiment of the measuring device according to the present invention. In each case, a pan-shaped housing 17, which is preferably formed from metal, is initially recognized, in order to ensure optimum shielding of the sensor device 1 against interference fields. The housing 17 is connected via a boom 18 in engagement with a movable coupling pin 19, wherein the movable coupling pin 19 is in turn connected to a (not shown) selector lever of a gear change transmission, and thus follows the movements of the selector lever.
Bei den Bewegungen des Wählhebels zwischen den einzelnen Schaltstufen P - R - N - D, die durch entsprechende Buchstaben 20 auch in den Fig. 5 und 6 angedeutet sind, wird das Gehäuse 17 über den Ausleger 18 dementsprechend um die Gehäuselagerung 21 verdreht.In the movements of the selector lever between the individual switching stages P - R - N - D, which are indicated by corresponding letters 20 in Figs. 5 and 6, the housing 17 is rotated about the boom 18 accordingly to the housing mounting 21.
Wie aus Figur 6 hervorgeht, ist im Inneren des Gehäuses 17 ein im Wesentlichen kreisbogensegmentförmiger Permanentmagnet 7 angeordnet, der zudem nach Art einer schiefen Ebene eine entlang seiner Kreisbogenform linear zunehmende Dicke aufweist. Der Permanentmagnet 7 wirkt auf die ebenfalls in Fig. 6 erkennbare Sensoreinrichtung 1, die nicht mit dem Gehäuse 17 verbunden, sondern beispielsweise am (hier nicht dargestellten) Sockel der Betätigungseinrichtung befestigt ist. Dies bedeutet, dass sich bei Rotationsbewegungen des Gehäuses 17 und des mit dem Gehäuse verbundenen Permanentmagneten 7 damit der effektive Abstand zwischen dem Permanentmagneten 7 und der Sensoreinrichtung 1 proportional zum Drehwinkel des Gehäuses verändert.As can be seen from FIG. 6, a substantially circular-arc-segment-shaped permanent magnet 7 is arranged in the interior of the housing 17 and also has a thickness which increases linearly along its arcuate shape in the manner of an inclined plane. The permanent magnet 7 acts on the also recognizable in Fig. 6 sensor device 1, which is not connected to the housing 17, but for example, on the (not shown here) base of the actuator is attached. This means that in the case of rotational movements of the housing 17 and the permanent magnet 7 connected to the housing, the effective distance between the permanent magnet 7 and the sensor device 1 changes proportionally to the angle of rotation of the housing.
Dementsprechend verändert sich auch der Pegel des Sensorsignals 14, genauer gesagt der Pegel der Mess-Teilspannung 15 der Sensoreinrichtung, vgl. beispielsweise Fig. 4. Somit lässt sich anhand Auswertung der Mess-Teilspannung 15 des Sensors 1 die Rotationswinkelstellung des Gehäuses 17 ermitteln. Dabei kann - dank des erfindungsgemäß jederzeit separat auswertbaren Diagnose-Teilsignals 16 - gleichzeitig eine permanente Überprüfung und gegebenenfalls automatische Kalibrierung des Sensors 1 erfolgen, wie obenstehend erläutert. Ebenso kann die Sensoreinrichtung 1 permanent auf Funktion und auf etwaige Ausfälle überwacht werden, und es können bei einem Ausfall gegebenenfalls eventuelle Notlaufprogramme eingeleitet oder der Benutzer entsprechend benachrichtigt werden.Accordingly, the level of the sensor signal 14, more precisely, the level of the measuring partial voltage 15 of the sensor device changes, cf. For example, Fig. 4. Thus, the rotation angle position of the housing 17 can be determined based on evaluation of the measuring partial voltage 15 of the sensor 1. At the same time, thanks to the diagnostic partial signal 16 which can be evaluated separately at any time according to the invention, a permanent check and optionally automatic calibration of the sensor 1 can take place at the same time, as explained above. Likewise, the Sensor device 1 permanently monitored for function and any failures, and it may be initiated in case of failure any emergency programs or the user will be notified accordingly.
Gegebenenfalls kann die Sensoreinrichtung 1 im Sinne der weiteren Erhöhung der Systemverfügbarkeit, Redundanz und Ausfallsicherheit auch doppelt vorgesehen sein. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass zumindest die den Hall-Sensor 2 und den Diagnoseleiter 4 umfassende Sensoreinrichtung 1 doppelt vorhanden ist. Die Steuerelektronik 10 kann hingegen aus Kostengründen auch nur einfach ausgeführt werden, wobei in diesem Fall die Anzahl der Sensorkontakte der Steuerelektronik 10 - entsprechend der doppelt vorhandenen Sensoreinrichtung 1 - ebenfalls verdoppelt wird.If appropriate, the sensor device 1 can also be provided twice in the sense of further increasing the system availability, redundancy and reliability. In other words, this means that at least the sensor device 1 comprising the Hall sensor 2 and the diagnostic conductor 4 is present in duplicate. On the other hand, the control electronics 10 can only be designed simply for reasons of cost, in which case the number of sensor contacts of the control electronics 10 - corresponding to the double-existing sensor device 1 - is likewise doubled.
Tritt somit - im Fall einer zweifach vorhandenen Sensoreinrichtung 1 - an einem der Sensoren ein Ausfall ein, so bleibt das System trotz des Sensorausfalls voll verfügbar, und das Signal des ausgefallenen Sensors kann aufgrund der erfindungsgemäßen Diagnosefähigkeit mittels des zweiten Sensors voll korrigiert bzw. ersetzt werden.Thus, if a failure occurs on one of the sensors in the case of a two-fold sensor device 1, the system remains fully available despite the sensor failure and the signal of the failed sensor can be completely corrected or replaced by the second sensor according to the invention ,
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass mit der Erfindung eine diagnostizierbare Sensoreinrichtung bzw. ein Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Sensoreinrichtung geschaffen wird, die maßgebliche Vorteile insbesondere bezüglich Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben die vollständige und permanente quantitative Diagnose und Kalibrierung eines Hall-Sensor-Bauelements, wodurch sich Messfehler beispielsweise aufgrund von Temperaturdrift oder mechanischen Verspannungen eliminieren lassen. BezugszeichenlisteAs a result, it is thus clear that the invention provides a diagnosable sensor device or a method for functional diagnosis of a sensor device, which have significant advantages, in particular with regard to reliability and measurement accuracy. The sensor device according to the invention and the method according to the invention allow the complete and permanent quantitative diagnosis and calibration of a Hall sensor component, whereby measurement errors, for example due to temperature drift or mechanical stresses, can be eliminated. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sensoreinrichtung1 sensor device
2 Hall-Sonde2 Hall probe
3 AuswertungsSchaltung3 evaluation circuit
4 Diagnoseleiter4 diagnostic manager
5 Magnetfeld5 magnetic field
6 Ausgang6 output
7 Magnet7 magnet
8 Treibereinrichtung8 driver device
9 Vorwiderstand9 resistor
10 Steuerelektronik10 control electronics
11 RechteckSignal11 rectangle signal
12 Diagnosestrom12 diagnostic current
13 KontrollSpannung13 control voltage
14 Summensignal14 sum signal
15 Mess-TeilSpannung15 measuring part voltage
16 Diagnose-TeilSpannung16 diagnostic part voltage
17 Gehäuse17 housing
18 Ausleger18 outriggers
19 Koppelstift19 coupling pin
20 Schaltstufen P-R-N-D20 switching stages P-R-N-D
21 Lagerung 21 Storage

Claims

Patentansprüche claims
1. Messvorrichtung zur Ermittlung einer Magnetfeldstärke eines Magnetfeldes, die Messvorrichtung umfassend eine1. Measuring device for determining a magnetic field strength of a magnetic field, the measuring device comprising a
Sensoreinrichtung (1) mit zumindest einer Hall-Sonde (2), wobei die Hall-Sonde (2) zur Erzeugung einer Hall-Spannung (14) in Abhängigkeit eines die Hall-Sonde durchdringenden Magnetfeldes (5) sowie in Abhängigkeit eines durch die Hall-Sonde (2) fließenden Speisestroms eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen von der Hall-Sonde (2) galvanisch getrennten, elektrischen Diagnoseleiter (4) sowie eine Treibereinrichtung (8) zur Erzeugung eines elektrischen Diagnosestroms (12) durch den Diagnoseleiter (4).Sensor device (1) with at least one Hall probe (2), wherein the Hall probe (2) for generating a Hall voltage (14) as a function of the Hall probe penetrating magnetic field (5) and in dependence on a through the Hall Probe (2) is arranged flowing supply current, characterized by one of the Hall probe (2) electrically isolated, electrical diagnostic conductor (4) and a driver device (8) for generating an electrical diagnostic current (12) by the diagnostic conductor (4).
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diagnosestrom (12) eine sich zyklisch verändernde, bekannte Stromstärke aufweist.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the diagnostic current (12) has a cyclically changing, known current strength.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Diagnosestrom (12) ein festgelegtes, bekanntes Pulsmuster aufgeprägt ist.3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the diagnostic current (12) a fixed, known pulse pattern is impressed.
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Hall-Sonde (2) und Diagnoseleiter (4) gemeinsam in einem Sondengehäuse (1) untergebracht sind.4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that Hall probe (2) and diagnostic conductor (4) are housed together in a probe housing (1).
5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) ein HaIl-Effekt-basierter integrierter Strommesssensor ist. 5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor device (1) is a HaIl effect-based integrated current measuring sensor.
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen relativ zur Sensoreinrichtung (1) beweglich angeordneten Magneten (7), wobei anhand der Hall- Spannung (14) der Hall-Sonde eine Bestimmung der Relativposition zwischen Sensoreinrichtung (1) und Magnet (7) erfolgt.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized by a relative to the sensor device (1) movably arranged magnet (7), wherein based on the Hall voltage (14) of the Hall probe, a determination of the relative position between the sensor device (1) and Magnet (7) takes place.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) und der Magnet (7) relativ zueinander drehbar angeordnet sind.7. Measuring device according to claim 6, characterized in that the sensor device (1) and the magnet (7) are arranged rotatably relative to each other.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) und der Magnet (7) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.8. Measuring device according to claim 6, characterized in that the sensor device (1) and the magnet (7) are arranged displaceable relative to each other.
9. Verfahren zur Funktionsdiagnose einer Hall-Sensoreinrichtung, die Hall-Sensoreinrichtung (1) umfassend zumindest eine Hall-Sonde (2), einen von der Hall-Sonde (2) galvanisch getrennten9. A method for functional diagnosis of a Hall sensor device, the Hall sensor device (1) comprising at least one Hall probe (2), one of the Hall probe (2) electrically isolated
Diagnoseleiter (4) sowie eine Treibereinrichtung (8) zur Aufprägung eines mit vorgegebener Periode veränderlichen elektrischen Diagnosestroms (12) auf den Diagnoseleiter (4), das Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Erzeugung eines die Hall-Sonde (1) durchfließenden elektrischen Speisestroms b) Aufprägung des elektrischen Diagnosestroms (12) auf den Diagnoseleiter (4); c) Bestimmung der Hall-Spannung (14) der Hall-Sonde (2); d) Aufspaltung der Hall-Spannung (14) in Mess-Teilspannung (15) und Diagnose-Teilspannung (16); e) Auswertung des Amplitudenverlaufs der Diagnose-Teilspannung (16) zum Zweck der Diagnose der Hall-Sensoreinrichtung (1) .Diagnostic ladder (4) and a driver device (8) for impressing a variable with a predetermined period of electrical diagnostic current (12) on the diagnostic conductor (4), the method comprising the following steps: a) generating a Hall probe (1) flowing through electrical supply current b) impressing the electrical diagnostic current (12) on the diagnostic conductor (4); c) determining the Hall voltage (14) of the Hall probe (2); d) splitting the Hall voltage (14) into measured partial voltage (15) and diagnostic partial voltage (16); e) evaluation of the amplitude profile of the diagnostic partial voltage (16) for the purpose of diagnosing the Hall sensor device (1).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Diagnosestrom (12) einen pulsförmigen Amplitudenverlauf aufweist.10. The method according to claim 9, characterized in that the electrical diagnostic current (12) has a pulse-shaped amplitude characteristic.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Anzahl der innerhalb einer vorbestimmten Zeit erfassten Pulse der Diagnose- Teilspannung (16) erfolgt. 11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that an evaluation of the number of detected within a predetermined time pulses of the diagnostic sub-voltage (16).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der Pulsamplitude der Diagnose-Teilspannung (16) erfolgt.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that an evaluation of the pulse amplitude of the diagnostic partial voltage (16).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch einen an einem relativ zur Sensoreinrichtung (1) beweglichen Bauteil angeordneten Magneten (7), wobei anhand der Mess-Teilspannung (15) eine Bestimmung der Relativposition zwischen Sensoreinrichtung (1) und Magnet (7) erfolgt .13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized by a relative to the sensor device (1) movable member arranged magnet (7), wherein based on the measuring partial voltage (15), a determination of the relative position between the sensor device (1) and magnet (7).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Wählhebels eines Fahrzeug-Gangwechselgetriebes erfasst wird. 14. The method according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the position of the selector lever of a vehicle gear change transmission is detected.
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