JP3427456B2

JP3427456B2 - 変位センサ信号処理装置

Info

Publication number: JP3427456B2
Application number: JP35458093A
Authority: JP
Inventors: 晃栗本; 四郎長沢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 2003-07-14
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: JPH07198413A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば車両のスロット
ル弁を電気的に制御するスロットル制御装置に利用され
るポテンショメータ等の変位センサ信号処理装置に関
し、特に対ノイズ性を考慮した変位センサ信号処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物理変化をセンサで信号を取り出
す際に、検出対象の変化を示す信号に含まれてしまうノ
イズを抑制するには、通常、適切な時定数を持つフィル
タ回路でノイズを減少させるなど、信号電圧の周波数の
うち、周波数フィルタをかけて信号周波数のみを取り出
す処理をする方法か、信号を積算して平均化処理をする
方法しか手がなく、それ以外には、もともとノイズを発
生させないとか、信号発生自体を大きくするなどしかな
い。センサ信号にノイズがどうしても含まれてしまい、
含まれたままでは直接使用できない場合、センサ出力に
含まれてしまったノイズに対して何らかのノイズ処理を
して、信号成分のみを取り出すことが必要となる。しか
し例えば車両用などの量産品に利用するようなセンサに
おけるノイズ処理では高価なノイズ処理回路は実施され
にくい。

【０００３】よく利用される処理は、センサ信号にノイ
ズフィルタを通してノイズ周波数成分を減少させる方法
で、この方法は簡単な電気回路のＣＲ回路、即ち抵抗と
コンデンサのみで形成できる。この回路は時定数（＝Ｃ
・Ｒ、容量値×抵抗値）をもち、フィルタをかける周波
数の特性が決まる。ノイズ処理用のフィルタ回路を目的
の信号に合った適切な時定数とするためには、ＣＲ回路
の定数を変化させることで実現するが、この時定数が大
きすぎるとセンサ信号の追従性が低下して、信号検出に
時間がかかるか正しい信号値を示さなくなり、また逆に
時定数が小さいとノイズが乗ったままの信号が出力され
て、フィルタの役目を果たしにくく、望ましいセンサ信
号が得られにくい。そこでさらに複雑なフィルタ回路を
電気回路で構成する可能性もあるが、単純なセンサ出力
に複雑な電子回路のフィルタを用いるのは適切ではな
い。

【０００４】また信号を平均化してノイズを除く処理
は、原理としてはノイズを平均化すれば±０になること
を利用しており、測定値を厳密に得る場合等に利用され
るが、車両のパワートレイン系（エンジンやトランスミ
ッション）など、リアルタイムに近い短期間で処理しな
ければならない制御では、過去のデータしか利用できず
採用されにくい。

【０００５】そこで、ノイズ処理の一便法として、入力
信号値の許容範囲を定め、これを越える場合は信号を異
常と判断する方法が採用されている。つまり、適度の時
定数フィルタ回路を通過させるだけでなく、予想される
信号電圧を越える信号を信号処理回路において異常信号
と判定するシステムが提案されている。例えば特開昭55
-162069 号公報では、センサ出力の信号のショートやオ
ープン、瞬断などのノイズが入って正確な信号を検出で
きない場合などに備えて、センサ信号出力ラインに、信
号に影響を与えない程度の大きな値のプルアップ抵抗も
しくはプルダウン抵抗を接続し、異常時に信号電圧の上
限、下限を越える異常値を発生させて検出する回路構成
としている。この構成では、センサがオープンした場合
や、ショートした場合に検出範囲の電圧を越える異常な
電圧値がセンサ出力となるため、センサ異常と判定でき
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
センサ異常検出方式では、センサ信号が信号領域の上限
値や下限値よりはみ出した値となった場合のみ検出でき
る、即ち、センサ信号がオープンやショートになった場
合にのみ異常と検出できる。言い換えれば、通常の使用
範囲を越えない範囲内でセンサ信号にノイズが乗り、通
常用いるようなノイズフィルタ回路ではそのノイズを取
り除けず、本当の変位値を示すセンサ信号値が出力され
ない場合に、これをノイズとして検出、除外することは
できないという問題がある。

【０００７】この影響が、一時的、瞬間的なノイズであ
り、制御対象の応答の時定数が大きければ制御結果に影
響はないが、制御対象によっては応答性が良いために、
制御出力に変動をもたらして制御を不安定化させるなど
の問題を生じる可能性もある。特に、変位センサが応用
されている電子スロットル制御付の車載内燃機関のアク
セルセンサのように、僅かなアクセル操作角度の変化で
スロットル開度や機関の回転数に大きな差を与えるよう
な使われ方をする変位センサ信号処理装置においては、
ノイズによる誤動作や変動は充分に対策されなければな
らない。ところが、スロットル制御などに良く利用され
るような、簡単な構成で実現できる抵抗摺動タイプの変
位センサにおいては、抵抗摺動の機構からノイズの発生
は避けることができず、特にスロットル制御では外乱と
して振動があるため、摺動子の振動でノイズの発生は避
けられない状況にある。このような変位センサのノイズ
の特徴として、定常的な信号値を取る場合は比較的振幅
の小さな高周波ノイズ成分であり、変動的、過渡的な信
号値を取る場合は比較的大きい振幅のノイズとなる特性
がある。

【０００８】従って本発明の目的は、変位センサの特性
に着目し、通常のセンサ信号値範囲内でノイズが含まれ
ても、ノイズフィルタ回路で取り切れない比較的大きな
ノイズ成分を検出できてセンサ信号異常を判定できる変
位センサ信号処理装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、連続的な抵抗値分布の抵抗体を有
し、測定対象の物理変化を抵抗比例させる比例検知機構
と、前記抵抗値分布に定電圧を印加して、検知した物理
変化を電気信号で比例出力する信号発生部と、出力され
た該電気信号を入力し該電気信号から前記測定対象の物
理変化をセンサ値として読み取り処理する信号処理部と
を備えてなる変位センサ信号処理装置において、前記信
号処理部は、前記電気信号から低周波成分を取り出し、
該低周波成分に基づき、該低周波成分の変化が大きい場
合は前記電気信号センサ値の許容値に大許容値を設定
し、前記変化が小さい場合は前記許容値に小許容値を設
定する許容値設定手段を有し、前記信号処理部に、今回
読み取ったセンサ値と該信号処理部に記憶している直前
に読み取ったセンサ値ｎ点（ｎ＞２）の平均値との差が
前記許容信号設定手段で設定した前記許容値の範囲内で
あるかを判断する判定処理を含むことである。

【００１０】また関連発明の構成は、前記許容値設定手
段が、比例出力された前記電気信号を入力する小時定数
の第一ノイズフィルタ回路と、同じく前記電気信号を入
力する大時定数の第二ノイズフィルタ回路と、それぞれ
の出力の差電圧の大きさに応じて、もしくは略比例させ
て、前記信号処理部内で前記小許容値と前記大許容値と
を選択する手段を有し、前記判定処理が、前記第一ノイ
ズフィルタを通過させた前記電気信号に基づいて読み取
ったセンサ値と該信号処理部に記憶している直前に読み
取ったセンサ値ｎ点の平均値（ｎ＞２）との差が前記許
容値の範囲内であるかを判断する処理であることを特徴
とする。関連発明の別の構成は、前記許容値設定手段
が、時系列的にサンプリングされる前記電気信号の各サ
ンプリング点より差分を求め、該差分の直前のｍ点平均
（ｍ＞２）を算出して前記電気信号の低周波信号の変化
とし、該変化を基準に前記許容値を設定する手段である
ことを特徴とする。

【００１１】本発明はまた、前記比例検知機構が、絶縁
基板上に設けられた厚膜抵抗を有するスライド型摺動抵
抗であることを特徴とする。本発明の別の特徴ある構成
はまた、前記変位センサ信号処理装置が車両用として使
用され、前記物理変化がアクセルペダルの操作角度を指
示する変位となっていることである。

【００１２】

【作用】変位センサのセンサ信号の低周波成分は本来の
値に近いセンサ信号を表す。定常状態でのノイズの発生
を低く抑えるためにはノイズの許容値を小さく設定し、
センサ信号が大きく変化する際はノイズが発生しても変
化の揺らぎとして制御対象に含まれてしまう上、許容値
が厳しいと、センサ出力の変化量が異常と誤認されてし
まうため、許容値を緩めて大きくする。許容値を決める
基準として二種類の時定数のノイズフィルタ回路を用い
る場合では、変位センサ出力が定常状態である時は、時
定数の異なる二つのノイズフィルタ回路でも共に同様な
出力値を示すので、この出力値の差を基に、差が適切な
閾値より小さければ小許容値とする。この場合に小許容
値を越えるノイズが合った場合、上限値、下限値を越え
なくとも直ちに異常出力と判定でき、適切な出力に補正
して制御対象の変動を防ぐことができる。センサ出力が
過渡的に変化している状態にある時は、二つのフィルタ
回路の出力が、時定数の違い分だけ差を生じて、それに
対応した大許容値を決める。この大許容値内でも上限
値、下限値を越える場合は異常とする。変位センサが定
常的な出力となれば、再び小許容値となるので、ノイズ
に対して厳しくすることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上のように、ノイズの生じやすい変位
センサ検出において、定常時にはノイズの影響を抑制し
て制御を実施し、センサ出力が過渡的な状態の時には、
本来の変化で誤動作しないようにノイズの許容範囲を緩
めて、応用する制御を安定させ、より望ましい制御をす
ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は、比例検知機構および信号発生部である
変位センサ本体として摺動抵抗を用い、信号処理部にマ
イクロコンピュータ（ＣＰＵ）を用いて、車両の電子ス
ロットル制御（即ちエンジンの回転制御）に応用した場
合の２弁式電子スロットル制御システムの構成図で、運
転者のアクセル操作の動きがポテンショメータからなる
変位センサ本体１０に反映され、その信号が信号処理部
であるＥＣＵ２０に入力され、エンジンのスロットル３
０を駆動する信号が出力ドライバ２４から出力されて、
スロットル３０に設けられた電子制御スロットル３２
（電磁駆動のスロットル弁）を駆動し、エンジン（図示
しない）の回転を制御するシステム構成である。ただ
し、電子制御スロットル３２の上流側には、アクセルペ
ダルとの機械的リンク機構によりスロットル開度が調整
されるリンク駆動スロットル３１が設けられており、こ
れは電子制御スロットル３２の全開故障のフェールセー
フのために設置されている。なおＥＣＵ２０は、例えば
エンジン負荷、回転数、冷却水温などの他の制御要因で
ある図示しない各センサ類等の信号が入力され、総合的
にエンジンを制御する装置であるが、ここではアクセル
操作によるスロットル制御に関する部分のみに着目して
示してある。

【００１５】変位センサ本体１０には定電圧V₀が印加さ
れており、摺動子１１が、図示しないアクセルペダルに
連結されて、運転者のアクセル操作により抵抗値を変化
させ、電圧変化として信号を発生させる。この変化はア
クセル操作の変化に対してリニア（線型）になるような
機構となっていて、運転者の操作指示が電圧値と比例す
るようになっている。即ち、図１では表現していない
が、運転者がエンジンの回転を上げようとアクセルを踏
み込むと変位センサの出力電圧が高くなる関係としてあ
る。

【００１６】変位センサ本体１０から出された信号は、
様々な理由により、センサ本体から出力された時点です
でにノイズを含んでいるが、そのノイズを含んだ状態で
ＥＣＵ２０（信号処理部）に入力される。ＥＣＵ２０は
マイコンシステムで構成されており、入力部には第一ノ
イズフィルタ回路Ｆ１と第二ノイズフィルタ回路Ｆ２が
設けられ、変位センサ１０から出力された電気信号はこ
の二つのフィルタ回路に並列に入力される。第一ノイズ
フィルタ回路Ｆ１は抵抗R1と容量C1とで構成されるいわ
ゆるＣＲ回路から成り、第二ノイズフィルタ回路も抵抗
R2、容量C2とから成る。この回路素子から構成される回
路の時定数はそれぞれC1R1、C2R2となり、C1R1＜＜C2R2
となるような定数としてある。各フィルタ回路を通った
信号はマイコン部２２のＡ／Ｄ変換器に入力されてＣＰ
Ｕ内で処理される。そしてプログラムにより、サンプリ
ングした信号が妥当なものか否かの判定後、指示された
スロットル角度となる様、出力ドライバ２４によりスロ
ットル３０に設けられた電子制御スロットル３２を駆動
する。

【００１７】第一ノイズフィルタ回路Ｆ１を通過した信
号はセンサ信号として、ＣＰＵ２２に接続されているＡ
／Ｄ変換器に入力される。第一ノイズフィルタＦ１は通
常よく用いられる信号ラインのノイズフィルタに相当
し、時定数が小さい、高周波成分を取り除くタイプのフ
ィルタであって、ノイズがない理想的な信号の場合は、
本来のセンサ信号とほぼ同じ信号を出力するものであ
る。現実には高周波ノイズばかりではないため、第一ノ
イズフィルタＦ１を通過したセンサ信号にもノイズは含
まれている。第二ノイズフィルタＦ２は時定数を大きく
とってあり、信号の低周波成分をよく反映する信号を出
力する。この第二ノイズフィルタＦ２の出力をモニタ信
号としてＥＣＵ２０に入力する。モニタ信号は、実際の
センサ信号よりも時間的に後れた値を示し、単に本来持
つセンサ信号の低周波成分のみを表しているわけではな
い。しかし、インパルス的なノイズはほとんど減衰され
てしまい、センサ信号より滑らかな出力をもつ。

【００１８】センサ信号とモニタ信号の変化の様子は図
２に示すようになる。図２のセンサ信号はノイズのない
場合を示してある。モニタ信号はセンサ信号に後れて追
従し、定常的な信号状態で同じ値を示す特性をもつ。従
って、この二つの信号の差はちょうどセンサ信号が変化
する過渡的な状態で大きくなり、定常的な状態で０とな
る。このことから、センサ信号の変化状態をこの二つの
信号の差から把握できて、センサ信号とモニタ信号との
差が小さい定常状態の場合は、センサ信号の許容誤差と
して小さい値を選択し、差が大きくなる過渡状態の場合
には、許容誤差を大きく設定する。この設定はＥＣＵ２
２内部で実施される。

【００１９】二つのノイズフィルタ回路Ｆ１、Ｆ２の出
力の関係の様子を示したのが図３の説明図で、センサ信
号が定常的な状態からアクセルを踏み込む状態へ移り、
そこで再び定常状態になる様子を模式的に示してある。
第一ノイズフィルタＦ１を通過したセンサ信号は、過渡
時にはアクセルペダルの揺らぎや車両の振動などでノイ
ズ成分を大きく含んで、定常状態よりも大きい変動を持
つ。しかし定常的な状態では大きな揺らぎは発生しな
い。ショートやオープンのようなノイズは当然図３に示
した従来のMIN 値やMAX 値の制限で対処することができ
るが、そこまで到らない程度のノイズの場合は、異常判
定値範囲、即ち許容値を図３に示すように設けることで
ノイズを検知し、除去する処理を行う。そして、図４に
模式的に示すように、ほぼ定常的なセンサ信号に対して
異常信号が重畳してきた場合、平均センサ値は破線で示
す変化を示すので、その差が許容値より大きくなるとき
は異常値であるとみなし、センサ信号に応じたセンサ値
を無視して後述の如く別途算出していたB/U(バックアッ
プ) 値と置き換える処理を行う。なお、平均センサ値は
直前の過去の数点のセンサ値を平均化したデータ値であ
り、センサ値を決定する段階でＣＰＵ２２内で演算して
おく。

【００２０】以上のような構成を図１のＥＣＵ２０で実
現するために、図５に示すようなフローチャートでセン
サ信号のノイズの有無を判定処理する。このフローチャ
ートの実施は、ＥＣＵ２０に変位センサからの信号が入
力されて、この入力値が正常かどうかの判定処理におい
て実施され、適切なセンサ信号である場合は、その適切
なセンサ信号を保持して終了し、異常と判定された場合
は、直前の正常値を出力するようになっている。なお、
このフローチャートは考え方を示す簡易的な表現として
あり、厳密なフローチャートとして示していない。

【００２１】まずステップ602 は従来行われている、セ
ンサ信号の上限、下限のチェックで、オーバーしていた
ら、オープンまたはショートと判断して直ちにステップ
604で、センサ信号として直前に使用していたセンサ信
号値または予め定めておいた標準値であるB/U(バックア
ップ) 値を使用する。信号がセンサ使用範囲内である
ならば、まずステップ606 、608 で現在モニタ信号と前
回センサ信号（前回センサ出力値）とを比較して、変位
センサ１０の状態が定常状態か過渡状態かを判定する。
この比較の際、ノイズが信号に含まれていて差が大きく
なったと考えられる場合も含まれるので、現在のセンサ
信号は用いない。定常状態であるか過渡状態であるか
は、例えばモニタ信号と前回センサ信号の差が１Ｖ以上
あった場合は変化が大きい時とし、過渡状態とする。そ
してステップ610 で過渡状態の異常判定値として大許容
値Ｖ_A1、例えば±２Ｖを設定する。そしてステップ612
で、今回のセンサ値と平均センサ値の差の大きさがこの
許容値を越えていないか調べる。なお、平均センサ値は
可能な限りノイズを無くすため、サンプリングレートの
設定にもよるが、直前のデータの３、４個を平均した値
を利用している。それで許容値内であればステップ614
で、今回のセンサ値と以前求めたB/U 値とを平均化し
て新B/U 値とする。定常状態の時はステップ618 で小
許容値Ｖ_A2、例えば±１Ｖを設定する。そしてステップ
620 で許容範囲内であればステップ614を実施する。ど
ちらの許容値判断においても、許容値をオーバーしてい
たらステップ616 に進んで、ステップ614 にて求められ
たB/U 値を使用する。この処理により、センサ値が上
下限値から外れていたらB/U 値が使われ、モニタ値と
センサ値との差が許容範囲内になければB/U 値が使わ
れ、許容範囲内にあればセンサ値が使われて、電子制御
スロットル３２が駆動される。

【００２２】本実施例では、センサ信号の変化状態の検
知に二つの時定数のノイズフィルタ回路を用いてモニタ
信号を設けて検知したが、この検知の方法はこれに限ら
ず、センサ信号のサンプリング時系列のデータから変化
率を出して判断してもよい。ただし、この場合は、サン
プリングレートを制御に影響のない程度に設定し、やは
りある程度直前のデータ数点を平均化した値を利用する
必要がある。

【００２３】またそのほか、三種類の時定数のノイズフ
ィルタ回路を用いて、中時定数と大時定数のフィルタ回
路の出力差からセンサ信号の変化程度を検知し中時定数
の信号を中心とした大小の許容値を設定しても同様の効
果がある。

【００２４】以上のように、本発明の構成の変位センサ
を用いれば、作動中のノイズの影響を抑制することがで
き、安定した制御を実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位センサを用いた電子スロットル制
御システムの構成図。

【図２】モニタ信号とセンサ信号との動作特性図。

【図３】図１の電子スロットル制御システムのセンサ信
号とモニタ信号との関係、および異常判定値範囲（許容
誤差）との関係の模式的な説明図。

【図４】図３で異常と判定される状態の模式的な説明
図。

【図５】スロットル制御異常判定処理のフローチャート
図。

【符号の説明】

１０スロットルセンサ本体２０信号処理部（ＥＣＵ）２２ＣＰＵ（Ａ／Ｄ等を含む）３０スロットル３１リンク駆動スロットル３２電子制御スロットルＦ１第一ノイズフィルタ回路Ｆ２第二ノイズフィルタ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01B 11/00 - 11/30 G01P 1/00 - 3/80 F02D 43/00 - 45/00 G01R 31/00 - 31/25

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】連続的な抵抗値分布の抵抗体を有し、測定
対象の物理変化を抵抗比例させる比例検知機構と、前記
抵抗値分布に定電圧を印加して、検知した物理変化を電
気信号で比例出力する信号発生部と、出力された該電気
信号を入力し該電気信号から前記測定対象の物理変化を
センサ値として読み取り処理する信号処理部とを備えて
なる変位センサ信号処理装置において、前記信号処理部は、前記電気信号から低周波成分を取り
出し、該低周波成分に基づき、前記低周波成分の変化が
大きい場合は前記電気信号センサ値の許容値に大許容値
を設定し、前記変化が小さい場合は前記許容値に小許容
値を設定する許容値設定手段を有し、前記信号処理部に、今回読み取ったセンサ値と該信号処
理部に記憶している直前に読み取ったセンサ値ｎ点（ｎ
＞２）の平均値との差が前記許容信号設定手段で設定し
た前記許容値の範囲内であるかを判断する判定処理を含
むことを特徴とする変位センサ信号処理装置。
【請求項２】前記許容値設定手段は、比例出力された前
記電気信号を入力する小時定数の第一ノイズフィルタ回
路と、同じく前記電気信号を入力する大時定数の第二ノ
イズフィルタ回路と、それぞれの出力の差電圧の大きさ
に応じて、もしくは略比例させて、前記信号処理部内で
前記小許容値と前記大許容値とを選択する手段を有し、前記判定処理は、前記第一ノイズフィルタを通過させた
前記電気信号に基づいて読み取ったセンサ値と該信号処
理部に記憶している直前に読み取ったセンサ値ｎ点の平
均値（ｎ＞２）との差が前記許容値の範囲内であるかを
判断する処理であることを特徴とする請求項１に記載の
変位センサ信号処理装置。
【請求項３】前記許容値設定手段は、時系列的にサンプ
リングされる前記電気信号の各サンプリング点より差分
を求め、該差分の直前のｍ点平均（ｍ＞２）を算出して
前記電気信号の低周波信号の変化とし、該変化を基準に
前記許容値を設定する手段であることを特徴とする請求
項１に記載の変位センサ信号処理装置。
【請求項４】前記比例検知機構が、絶縁基板上に設けら
れた厚膜抵抗を有するスライド型摺動抵抗であることを
特徴とする請求項１に記載の変位センサ信号処理装置。
【請求項５】前記変位センサ信号処理装置が車両用とし
て使用され、前記物理変化がアクセルペダルの操作角度
を指示する変位であることを特徴とする請求項１に記載
の変位センサ信号処理装置。