WO2009000808A1 - Vorrichtung zum erfassen von quadratursignalen - Google Patents

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WO2009000808A1
WO2009000808A1 PCT/EP2008/057958 EP2008057958W WO2009000808A1 WO 2009000808 A1 WO2009000808 A1 WO 2009000808A1 EP 2008057958 W EP2008057958 W EP 2008057958W WO 2009000808 A1 WO2009000808 A1 WO 2009000808A1
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signals
vbatt
unit
signal
power supply
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PCT/EP2008/057958
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Andreas Egger
Wolfgang KÖLLNER
Peter Stephan Mulacz
Caroline Renault
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Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/16—Electric signal transmission systems in which transmission is by pulses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting quadrature signals of a signal unit, which has a common power supply line and a common ground line, and which outputs at least two mutually phase-shifted in quadrature signals for evaluation in an evaluation unit.
  • Such devices are used for example in motor vehicles in drive systems for windows, sliding roofs, but also sliding doors, tailgates and the like. used to detect the position, the speed or the direction of movement of the motor and thus of the driven component.
  • sensors usually quadrature encoders, Hall sensors, for example, but also optical encoders, capacitive and inductive encoders and the like can be used.
  • sensors namely for their power supply, as well as for the output signals to install cables that are transmitted via wiring harnesses to a control unit.
  • the sensors can either be integrated in the engine or can be designed as so-called “stand-alone” sensors: the cables in such a system incur costs, and the costs increase as the number of cables increases In addition, the maximum possible diameter for the implementation of wiring harnesses, for example one of
  • the resistors RA, RB and RS, RD which are connected in series with so-called "0-pen collector" outputs of the transistors TA, TB and TS, TD respectively, protect the sensor outputs against a short circuit to VBATT.
  • the object of the invention is therefore to provide a device as stated above, in which it is possible with a minimum number of leads of a signal unit, in particular sensor unit to secure the full information content regarding transmission of the desired engine parameters, in particular position and speed.
  • a suitable threshold value is obtained when it is chosen with a level between the two amplitudes of the two square wave signals plus the amplitude of the supply current, wherein the threshold value is preferably in the middle of the two square wave signals, apart from the supply current.
  • the output of the comparator can be connected to an input of a logic unit, which is connected to a further input to the power supply line for supplying the square-wave signals modulated on the supply current.
  • This logic unit can be controlled by a microcontroller or the like. Block be formed, in particular a micro- rocontroller with an interrupt-capable input to which the output signal of the comparator is applied.
  • the logic unit is set up to evaluate the modulated square-wave signals on rising and / or falling edges of the comparator output signal by comparison with predetermined values. In this way, reliable signal detection, and e.g. in the case of motor position signals, the exact detection of the position and, consequently, the speed of the motor, as well as also the direction of the rotational movement possible.
  • the signals may be from independent sensors, e.g. Position sensors come from whose position signals the desired information - position, speed, direction of motion - can be derived, the output signals of these position sensors are applied as position signals to the common supply power line.
  • Position sensors come from whose position signals the desired information - position, speed, direction of motion - can be derived, the output signals of these position sensors are applied as position signals to the common supply power line.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of a device for detecting parameters according to the invention with a double sensor unit as signal unit and an evaluation unit;
  • FIG. 6 shows, as an alternative to FIG. 5, a circuit diagram of a modified double sensor unit with a logic module connected to the independent sensors;
  • FIG. 7 shows a time diagram for the double sensor unit according to FIG. 5, for illustrating the operation of the device according to FIG. 5;
  • FIG. 8 is a diagram which illustrates in a modified manner the function of this device and in particular those of the evaluation unit contained therein;
  • FIGS. 1 to 4 have already been explained above.
  • Fig. 5 shows a preferred example of a device 10 for detecting quadrature signals, a device for detecting parameters of a rotor of an electric motor (not shown), in particular the position, the speed and the direction of rotation of the rotor of the electric motor to capture.
  • the device 10 as a signal unit to a double sensor unit 11, which is in principle similar to that of FIG. 2 is formed, with the difference, however, that only two connection lines VBATT_A & B and GND (ground line) are present.
  • the dual sensor unit 11 has two independent sensors A, B, such as Hall sensors, optical encoders, etc., and the output signals of these sensors A, B are, for example, via transistors TA, TB and resistors RA,
  • a modulation with the aid of current sources can, of course, also take place here, which is known per se and should not be explained in more detail here.
  • the line or terminal VBATT A & B is connected via a resistor 12 in a conventional manner with a voltage source 13, eg the vehicle electrical system, ie the battery, of a motor vehicle, wherein the common ground line GND is also connected to this voltage source 13.
  • a logic unit 15 of an evaluation unit 16 is connected via a line 14 which carries the analog, modulated current signal another input 17 'is connected to the output of a comparator 17 which provides a digital comparator output signal corresponding to the modulated signal supplied by the VBATT A & B line, see input 18 of the comparator 17, in relation to one
  • Threshold value X which is supplied to a reference input 19 of the comparator 17 by means of a threshold value setting unit 20 leads.
  • a modified double sensor unit 21 is shown as the signal unit, in which - comparable to FIG. 2 - a logic module 2AB is connected to the two independent sensors A and B so as to obtain a speed signal S ("Speed") and a direction signal D (FIG. "Direction"); These signals S, D are in turn supplied via transistors TS, TD and - different high - resistors RS, RD of the power supply line and on the supply current - analogously as in the embodiment of FIG. 5 - aufmoduliert.
  • two connection lines - generally VBATT and GND - are sufficient to supply the sensor unit 21 with power on the one hand, and on the other hand to lead all information out of the sensor unit 21 and into the evaluation unit (16 in FIG. 5).
  • FIG. 7 the mode of operation of the device 10 according to FIG. 5 is illustrated in four diagram lines 7.1, 7.2, 7.3 and 7.4 on the basis of four time diagrams. Specifically, in the line 7.1, the supply current I 0 for the sensor unit 11 (or 21) and, moreover, the rectangular signal originating from the sensor A, the current I A , is illustrated.
  • the current (the square-wave signal) of the sensor B ie the current I B
  • the line 7.2 in a corresponding time diagram.
  • current I ⁇ the current of lines 7.1 and 7.2 combined
  • current I ⁇ the threshold value X of the comparator 17th
  • the output signal V of the comparator 17 is shown, which is a pulse signal with a uniform level, which, as for the occurrence of the pulses regenerates the signal of the sensor A, cf. the pulses of the current signal I A in line 7.1.
  • FIG. 7 two situations, corresponding to two different directions of rotation I and II, shown side by side to illustrate how the evaluation unit 16, which is essentially formed by the logic unit 15 and the comparator 17, depending on the setting at the rising flanks o - But at the falling edges of the pulses of the comparator output signal V performs an evaluation of the combined signal on the line 14. If, for example, during the rising edge of the comparator output signal V or of the rectangular signal of the sensor A-s. the sampling times 23 in Fig. 7 - the level of the rectangular signal of the sensor B is checked, and the level of the rectangular signal of the sensor B (s., Current I B in the line 7.2 of Fig.
  • the evaluation can be triggered by the falling edge of the rectangular signal of the sensor A or the comparator output signal V, s. the sampling times 24 in FIG. 7. If it turns out here that the level of the signal of the sensor Sors B is high at the sampling times 24, the direction of rotation I is present, but the level of the signal of the sensor B is low, the direction of rotation is II.
  • FIG. 9 illustrates in a combined time diagram similar to FIG. 7 the situation when using a modified double sensor unit according to FIG. 6, in which the output signals of the sensor unit 21 are a speed signal on the one hand - current I 3 - and on the other hand a direction signal - current I D - to be obtained, cf. lines 9.1 and 9.2 of FIG. 9.
  • the evaluation unit 16 (see Fig. 5) can always detect the position of the motor correctly due to the speed data and the rotation direction data.
  • a combined signal is transported via a single line VBATT, instead of two separate lines as before, to the actual evaluation unit 16.
  • the resistors RS and RD should be selected such that the amplitude of the signal comes in above the threshold X of the comparator 17 in all situations of the motor rotation directions.
  • the comparator output signal V corresponds to the speed signal according to line 9.1 in FIG. 9.
  • the number of lines to be used is reduced by the described technology, namely to the minimum of the two two lines basically necessary for the power supply.
  • This small number of lines and plug pins can be saved on the side of the sensor units as well as on the side of the evaluation, which leads to a smaller plug volume and thus to a smaller footprint.

Abstract

Vorrichtung (10) zum Erfassen von Quadratursignalen einer Signaleinheit (11; 21) die eine gemeinsame Stromversorgungsleitung (VBATT_ A & B) und eine gemeinsame Masseleitung (GND) aufweist, und die im Betrieb mindestens zwei gegeneinander in der Phase verschobene Rechtecksignale (IA, IB; IS, ID) zur Auswertung in einer Auswerteeinheit (16) abgibt, wobei beide Phasen-verschobenen Rechtecksignale (IA, IB; IS, ID) mit verschiedenen Amplituden an die gemeinsame Stromversorgungsleitung (VBATT _A & B) angelegt werden, wobei die beiden Phasen-verschobenen Rechtecksignale (IA, IB; IS, ID) auf den Versorgungsstrom (I0) aufmoduliert werden, und wobei die Auswerteeinheit (16) mit der Stromversorgungsleitung verbindbar bzw. verbunden ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Erfassen von Quadratursignalen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Quadratursignalen einer Signaleinheit, die eine gemeinsame Stromversorgungsleitung und eine gemeinsame Masseleitung aufweist, und die im Betrieb mindestens zwei gegeneinander in der Phase verschobene Rechtecksignale zur Auswertung in einer Auswerteeinheit abgibt.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen in Antriebssystemen für Fensterheber, Schiebedächer, aber auch Schiebetüren, Heckklappen und dgl . verwendet, um die Position, die Geschwindigkeit oder die Bewegungsrichtung des Motors und somit des angetriebenen Bauteils zu erfassen. Als Sensoren, üblicherweise Quadraturkodierer, können beispielsweise Hall-Sensoren, aber auch optische Kodierer, kapa- zitive und induktive Geber und dgl. verwendet werden. Für diese Sensoren, nämlich für deren Spannungsversorgung, sind ebenso wie für die Ausgangssignale Leitungen zu installieren, die über Kabelbäume zu einem Steuergerät übertragen werden. Die Sensoren können dabei entweder im Motor integriert sein oder auch als so genannte „Stand-alone"-Sensoren ausgeführt sein. Die Leitungen in einem solchem System verursachen Kosten, wobei die Kosten mit der Anzahl der Leitungen steigen. Die im Fahrzeug verlegten Kabelbäume erhöhen das Gewicht der Fahrzeuge. Außerdem ist der maximal mögliche Durchmesser für die Durchführung von Kabelbäumen, beispielsweise von einer
Fahrzeugtür in das Fahrzeug-Chassis, limitiert. Überdies vergrößert die zusätzliche Leitung in einem Kabelbaum die Ausfallwahrscheinlichkeit, etwa zufolge der erforderlichen Steckkontakte im Fahrzeug. Hierher gehört auch der weitere Nachteil, dass jede Leitungsverbindung ein technisches Risiko in sich birgt, da jede Leitung gegen Störungen empfindlich ist . In der Vergangenheit wurden verschiedene Wege zur Stromversorgung von Sensoren ebenso wie zur Herausführung von Sensorsignalen beschritten, wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist, die durchwegs Lösungen gemäß dem Stand der Technik zei- gen .
Beispielsweise ist in Fig. 1 eine an sich bekannte Doppelsensoreinheit 1 gezeigt, die zwei Sensoren A, B enthält, deren Ausgangssignale über Transistoren TA bzw. TB und Widerstände RA bzw. RB an Ausgänge IA und IB gelegt sind. Zusätzlich sind zur Stromversorgung zwei Leitungen notwendig, nämlich eine gemeinsame Stromversorgungsleitung VBATT sowie eine gemeinsame Masseleitung GND. Bei dieser Ausbildung beinhalten die Datensignale auf den Ausgängen IA und IB den vollen Informati- onsgehalt über Position und Geschwindigkeit des Elektromotors, d.h. genauer des Läufers eines solchen Elektromotors. Eine - herkömmliche - Auswerteelektronik (nicht dargestellt) , die mit den Ausgängen IA und IB verbunden wird, kann daher beispielsweise die Motorposition und -geschwindigkeit immer korrekt erfassen.
In Fig. 2 ist eine Geschwindigkeits/Richtungs-Sensoreinheit 2 gezeigt, die wiederum zwei unabhängige Sensoren A, B aufweist, die hier über ein Logikmodul 2AB mit vergleichbaren Ausgangstransistoren TS, TD sowie Widerständen RS bzw. RD an Ausgänge 2S bzw. 2D gelegt sind. Das Logikmodul 2AB wertet die Positionssignale der Sensoren A und B unmittelbar zu einem Geschwindigkeitssignal S („Speed") sowie zu einem Richtungssignal D („Direction") aus, wobei entsprechende Geschwindigkeits- bzw. Richtungssignale an den Ausgängen 2S und 2D ausgegeben werden. Zusätzlich sind hier wiederum zur Spannungsversorgung eine Stromversorgungsleitung VBATT und eine Masseleitung GND vorhanden, also ebenfalls insgesamt vier Leitungen. Auch hier ist bezüglich einer üblichen Aus- werteelektronik die Erfassung der gewünschten Parameter möglich. Nachteilig ist bei den beiden bekannten Ausbildungen, dass insgesamt vier Leitungen erforderlich sind, was zu den einleitend angeführten Nachteilen führt.
In den Ausführungen gemäß Fig. 1 und 2 schützen die Widerstände RA, RB bzw. RS, RD, die in Serie mit so genannten „0- pen Collector"-Ausgängen der Transistoren TA, TB bzw. TS, TD geschaltet sind, die Sensorausgänge gegen einen Kurzschluss nach VBATT.
In Modifikation der Ausführung gemäß Fig. 1 wurde ferner bereits vorgeschlagen, vgl. Fig. 3, bei einer vergleichbaren Dual-Sensoreinheit 1 ' die beiden Sensor-Ausgangssignale als zwei Phasen-verschobene Rechtecksignale auf die Versorgungs- ströme der Sensoren A, B der Sensoreinheit 1' aufzumodulieren. Für die beiden Sensoren A, B sind somit unabhängige Stromversorgungsleitungen VBATT A und VBATT B vorgesehen, und auf die über diese Leitungen geführten Versorgungsströme werden die jeweiligen Rechtecksignale, also Hoch/Niedrig-Pegel, aufmoduliert, was beispielsweise mit Hilfe der Widerstände
RA, RB geschehen kann. Dabei können die beiden Widerstände RA und RB gleich sein, also RA = RB = R.
Anstatt über Widerstände kann die Strommodulation aber auch in an sich herkömmlicher Weise über Stromquellen erfolgen.
Auch hier beinhalten die Datensignale zwar den vollen Informationsgehalt über Position und Geschwindigkeit des Motors, so dass die Auswerteelektronik die entsprechenden Parameter immer korrekt erfassen kann, jedoch sind noch immer drei Leitungen für diese Sensoreinheit 1' erforderlich.
In Fig. 4 ist eine Variante einer Sensoreinheit 3 mit bloß zwei Leitungen VBATT_A und GND veranschaulicht, wobei in die- sem Fall jedoch nur ein einzelner Sensor A in der Sensoreinheit 3 enthalten ist. Das - einzige - Sensor-Ausgangssignal kann beispielsweise wiederum über einen Transistor TA und einen Widerstand RA auf den Versorgungsstrom auf der Stromver- sorgunsleitung VBATT A aufmoduliert werden, und als zweite Leitung ist die Masseleitung GND vorhanden.
Als Alternative könnte die Ausgangsleitung VBATT_A, die di- rekt mit dem Widerstand RA verbunden ist, durch eine eigene Daten-Ausgangsleitung 3A ersetzt werden, und es könnte eine gesonderte Stromversorgungsleitung VBATT vorgesehen werden, wie in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet ist. In letzterem Fall wären somit drei Anschlussleitungen notwendig, im erste- ren Fall zwei Anschlussleitungen. Von Nachteil ist aber bei der Variante gemäß Fig. 4, dass das ausgegebene Datensignal nicht mehr den vollen Informationsgehalt über Position und Geschwindigkeit beinhaltet. Eine Auswerteelektronik kann daher die Position des Motors nur mehr teilweise korrekt erfas- sen, und es sind Auslauf- und Reversierschätzer erforderlich, um zu versuchen, die korrekte Position zu schätzen. Wenn beispielsweise im Fall eines nicht angesteuerten Motors Flanken auf der Sensor-Ausgangsleitung VBATT_A oder 3A auftreten, können nur mehr Vermutungen über die Bewegungsrichtung ange- stellt werden. Im Weiteren werden auch hohe Anforderungen an die Selbsthemmung des Systems gestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung wie eingangs angegeben vorzuschlagen, bei der es möglich ist, mit einer Mindestanzahl von Anschlussleitungen einer Signaleinheit, insbesondere Sensoreinheit, den vollständigen Informationsgehalt betreffend Übertragung der gewünschten Motorparameter, insbesondere Position und Geschwindigkeit, zu sichern.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Mit der vorliegenden Vorrichtung ist es möglich, mittels geeigneter Modulation des Versorgungsstroms den vollständigen Informationsgehalt der Signale der Signaleinheit, z.B. im Fall eines Elektromotors betreffend Position, Geschwindigkeit bzw. Drehrichtung (Bewegungsrichtung), zu übertragen. Dabei werden insgesamt nur zwei Leitungen benötigt, um einerseits die Stromversorgung zu realisieren und andererseits eine vollständige Informationserfassung durchzuführen. Zusätzlich wird der Vorteil erzielt, dass weiterhin herkömmliche, bestehende integrierte Schaltungen verwendet werden können und eine einfache Auswertung der Signale, z.B. in einem Steuergerät, möglich ist.
Von Bedeutung für die Erfindung ist dabei, dass die Rechteck- Ausgangssignale mit unterschiedlichen Amplituden oder Pegeln auf den Versorgungsstrom aufmoduliert werden, so dass in der Auswerteeinheit eine entsprechende Unterscheidung möglich ist. In diesem Zusammenhang ist eine besonders einfache Lö- sung dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rechtecksignale über voneinander verschiedene Widerstände an die gemeinsame Stromversorgungsleitung angelegt werden. Die beiden Widerstände haben hier somit nicht nur den Zweck, das Aufmodulieren der beiden in der Phase verschobenen Rechtecksignale auf den gemeinsamen Versorgungsstrom zu ermöglichen, sondern ü- berdies auch die Funktion, verschiedene Amplituden der beiden Rechtecksignale sicherzustellen. Im Prinzip ist es aber selbstverständlich auch hier denkbar, die Strommodulation mit Hilfe von entsprechend ausgelegten Stromquellen zu realisie- ren.
Um bei der Auswertung die beiden auf den Versorgungsstrom aufmodulierten Rechtecksignale zu trennen, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Auswerteeinheit einen Komparator ent- hält, von dem ein Eingang mit der Stromversorgungsleitung verbunden ist, wogegen an den anderen Eingang ein vorgegebener Schwellenwert angelegt ist. Der Komparator liefert dabei ein Ausgangssignal, das - bei geeigneter Wahl des Schwellenwerts - das Signal des ei- nen Sensors (nämlich jenes mit der größeren Amplitude) „regeneriert". In der Auswerteeinheit kann dann im Weiteren bezogen auf dieses Komparator-Ausgangssignal eine Analyse des kombinierten Signals durchgeführt werden, um nicht nur ein entsprechendes Positionssignal, sondern auch ein Geschwindigkeitssignal bzw. ein Richtungssignal herzuleiten.
Ein geeigneter Schwellenwert wird erhalten, wenn er mit einem Pegel zwischen den beiden Amplituden der beiden Rechtecksignale, zuzüglich der Amplitude des Versorgungsstroms, gewählt wird, wobei der Schwellenwert bevorzugt möglichst in der Mitte der beiden Rechtecksignale, abgesehen vom Versorgungsstrom, liegt.
Mit Vorteil kann der Ausgang des Komparators mit einem Eingang einer Logikeinheit verbunden sein, die mit einem weiteren Eingang mit der Stromversorgungsleitung zur Zuführung der auf dem Versorgungsstrom aufmodulierten Rechtecksignale ver- bunden ist. Diese Logikeinheit kann durch einen Mikrocontrol- ler oder dgl . Baustein gebildet sein, insbesondere einen Mik- rocontroller mit einem Interrupt-fähigen Eingang, an den das Ausgangssignal des Komparators angelegt wird.
Es ist hier weiters von Vorteil, wenn die Logikeinheit eingerichtet ist, die aufmodulierten Rechtecksignale bei steigenden und/oder fallenden Flanken des Komparator-Ausgangssignals durch Vergleich mit vorgegebenen Werten auszuwerten. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Signalerkennung, und z.B. im Fall von Motor-Positionssignalen die genaue Erfassung der Position und in der Folge der Geschwindigkeit des Motors, sowie überdies auch der Richtung der Drehbewegung möglich.
Die Signale können von unabhängigen Sensoren, z.B. Positions- sensoren, stammen, aus deren Positionssignalen die gewünschten Informationen - Position, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung - hergeleitet werden können, wobei die Ausgangssignale dieser Positionssensoren als Positionssignale an die gemeinsame Versorgungsstromleitung angelegt werden.
Es ist jedoch auch mit Vorteil möglich, die beiden Signale bereits innerhalb der Signaleinheit einem Logikmodul zuzuführen, ähnlich wie vorstehend anhand der Fig. 2 erläutert, wo- bei dieses Logikmodul zur Herleitung von anderen, durch eine Verknüpfung der ursprünglichen Signale gebildeten Signalen, z.B. Geschwindigkeits- und Drehrichtungssignalen aus Positionssensor-Ausgangssignalen, eingerichtet ist, und wobei diese abgeleiteten Signale als die beiden Rechtecksignale auf den (gemeinsamen) Versorgungsstrom aufmoduliert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 bis 4 schematisch Schaltbilder von Sensoreinheiten gemäß Stand der Technik;
Fig. 5 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen von Parametern gemäß der Erfindung mit einer Doppelsensoreinheit als Signaleinheit und einer Auswerteeinheit;
Fig. 6 als Alternative zu Fig. 5 ein Schaltbild einer modifizierten Doppelsensoreinheit, mit einem an die unabhängigen Sensoren angeschlossenen Logikmodul;
Fig. 7 ein Zeitdiagramm für die Doppelsensoreinheit gemäß Fig. 5, zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 5;
Fig. 8 ein Schema, das in modifizierter Weise die Funktion dieser Vorrichtung und dabei insbesondere jene der darin ent- haltenen Auswerteeinheit veranschaulicht; und
Fig. 9 in einem Zeitdiagramm ähnlich Fig. 7 die Abläufe, wenn eine Doppelsensoreinheit gemäß Fig. 6 in der Vorrichtung gemäß Fig. 5 eingesetzt wird.
Die Figuren 1 bis 4 wurden bereits vorstehend erläutert. Fig. 5 zeigt als bevorzugtes Beispiel einer Vorrichtung 10 zur Erfassung von Quadratursignalen eine Vorrichtung zum Erfassen von Parametern eines Läufers (Rotors) eines Elektromotors (nicht näher dargestellt) , wobei insbesondere die Posi- tion, die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Läufers des Elektromotors zu erfassen sind. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 10 als Signaleinheit eine Doppelsensoreinheit 11 auf, die im Prinzip ähnlich wie jene gemäß Fig. 2 ausgebildet ist, mit dem Unterschied jedoch, dass nur zwei Anschlusslei- tungen VBATT_A&B sowie GND (Masseleitung) vorhanden sind.
Im Einzelnen weist die Doppelsensoreinheit 11 zwei unabhängige Sensoren A, B auf, wie etwa Hall-Sensoren, optische Kodierer etc., und die Ausgangssignale dieser Sensoren A, B werden beispielsweise über Transistoren TA, TB und Widerstände RA,
RB der Stromversorgungsleitung VBATT_A&B zugeführt, wobei mit Hilfe der Widerstände RA, RB ein Aufmodulieren der relativ zueinander in der Phase verschobenen rechteckigen Ausgangssignale der Sensoren A, B bzw. der nachgeschalteten Verstär- kertransistoren TA, TB auf den Versorgungsstrom erfolgt. Um die beiden Rechtecksignale bei der Auswertung unterscheiden zu können, werden sie mit verschiedenen Amplituden oder Pegeln auf den Versorgungsstrom aufmoduliert, und demgemäß sind hier die Widerstandswerte der Widerstände RA und RB voneinan- der verschieden; beispielsweise können die Widerstandswerte bzw. die Pegel der beiden Rechtecksignale um einen Faktor von ca. 1:2 unterschiedlich sein, d.h. die Amplitude des Rechtecksignals betreffend den Sensor A kann beispielsweise ungefähr doppelt so groß sein wie die Amplitude des Rechtecksig- nals betreffend den Sensor B.
Anstatt der gezeigten Modulation des Versorgungsstroms mit Hilfe der Widerstände RA, RB kann selbstverständlich auch hier eine Modulation mit Hilfe von Stromquellen erfolgen, was an sich bekannt und hier nicht näher zu erläutern ist.
Die Leitung bzw. Klemme VBATT A&B ist über einen Widerstand 12 in herkömmlicher Weise mit einer Spannungsquelle 13, z.B. dem Bordnetz, d.h. der Batterie, eines Kraftfahrzeugs, verbunden, wobei mit dieser Spannungsquelle 13 auch die gemeinsame Masseleitung GND („Ground") verbunden ist. Über eine Leitung 14, die das analoge, modulierte Stromsignal führt, ist eine Logikeinheit 15 einer Auswerteeinheit 16 mit einem Eingang 14' mit der Klemme VBATT_A&B verbunden. Ein weiterer Eingang 17' ist mit dem Ausgang eines Komparators 17 verbunden, der ein digitales Komparator-Ausgangssignal entsprechend dem von der Leitung VBATT A&B zugeführten modulierten Signal, s. Eingang 18 des Komparators 17, in Relation zu einem
Schwellenwert X, der einem Referenzeingang 19 des Komparators 17 mit Hilfe einer Schwellenwert-Vorgabeeinheit 20 zugeführt wird, führt.
In Fig. 6 ist als Signaleinheit eine modifizierte Doppelsensoreinheit 21 gezeigt, bei der - vergleichbar Fig. 2 - ein Logikmodul 2AB an die beiden unabhängigen Sensoren A und B angeschlossen ist, um so ein Geschwindigkeitssignal S („Speed") sowie ein Richtungssignal D („Direction") zu erhal- ten; diese Signale S, D werden wiederum über Transistoren TS, TD sowie - verschieden hohe - Widerstände RS, RD der Stromversorgungsleitung zugeführt und auf den Versorgungsstrom - analog wie bei der Ausführung gemäß Fig. 5 - aufmoduliert . Auch hier reichen somit zwei Anschlussleitungen - allgemein VBATT und GND - aus, um einerseits die Sensoreinheit 21 mit Strom zu versorgen und andererseits alle Informationen aus der Sensoreinheit 21 herauszuführen und in die Auswerteeinheit (16 in Fig. 5) zu übertragen.
In Fig. 7 ist in vier Diagramm-Zeilen 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 übereinander die Betriebsweise der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 5 anhand von vier Zeitdiagrammen veranschaulicht. Im Einzelnen sind dabei in der Zeile 7.1 der Versorgungsstrom I0 für die Sensoreinheit 11 (bzw. 21) und darüber das vom Sensor A herrührende Rechtecksignal, der Strom IA, veranschaulicht.
Darunter ist in der Zeile 7.2 in einem entsprechenden Zeitdiagramm der Strom (das Rechtecksignal) des Sensors B, also der Strom IB, dargestellt. In der dritten Zeile 7.3 sind alle Ströme bzw. Signale der Zeilen 7.1 und 7.2 übereinander kombiniert (Strom Iκ) veranschaulicht, d.h. es ist das Ergebnis der Aufmodulation der Rechtecksignale (Sensorsignale) IA und IB auf den Versorgungsstrom I0 gezeigt, wobei weiters der Schwellenwert X des Komparators 17 veranschaulicht ist.
In der untersten Zeile 7.4 des Gesamtdiagramms von Fig. 7 ist schließlich das Ausgangssignal V des Komparators 17 gezeigt, wobei es sich um ein Impulssignal mit einheitlichem Pegel handelt, welches, was das Auftreten der Impulse betrifft, das Signal des Sensors A regeneriert, vgl. die Impulse des Stromsignals IA in Zeile 7.1. Dies wird durch entsprechende Wahl des Schwellenwerts X erreicht, wobei für diesen Schwellenwert X beispielsweise gilt:
Figure imgf000012_0001
In Fig. 7 sind zwei Situationen, entsprechend zwei verschiedenen Drehrichtungen I und II, nebeneinander gezeigt, um zu veranschaulichen, wie die Auswerteeinheit 16, die im Wesentlichen durch die Logikeinheit 15 und den Komparator 17 gebildet ist, je nach Einstellung bei den ansteigenden Flanken o- der aber bei den abfallenden Flanken der Impulse des Kompara- tor-Ausgangssignals V eine Auswertung des kombinierten Sig- nals auf der Leitung 14 vornimmt. Wenn beispielsweise während der ansteigenden Flanke des Komparator-Ausgangssignals V bzw. des Rechtecksignals des Sensors A - s. die Abtastzeitpunkte 23 in Fig. 7 - der Pegel des Rechtecksignals des Sensors B überprüft wird, und der Pegel des Rechtecksignals des Sensors B (s. Strom IB in der Zeile 7.2 von Fig. 7) niedrig ist, dann liegt eine erste Drehrichtung - Fall I - vor; ist jedoch der Pegel des Rechtecksignals des Sensors B hoch (d.h. die Impulse IB eilen den Impulsen IA vor) , dann liegt die entgegengesetzte Drehrichtung II vor. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Auswertung durch die fallende Flanke des Rechtecksignals des Sensors A bzw. des Komparator-Ausgangssignals V getriggert werden, s. die Abtastzeitpunkte 24 in Fig. 7. Wenn sich hier herausstellt, dass der Pegel des Signals des Sen- sors B zu den Abtastzeitpunkten 24 hoch ist, liegt die Drehrichtung I vor, ist der Pegel des Signals des Sensors B jedoch niedrig, liegt die Drehrichtung II vor.
Dieser Ablauf ist, was die Ansteuerung und Arbeitsweise der Logikeinheit 15 betrifft, etwas modifiziert in Fig. 8 gezeigt. Dabei ist mit einem Feld 25 die Zuführung des kombinierten Stroms (am Eingang 14' der Logikeinheit 15 gemäß Fig. 5) und mit dem Feld 26 die Übertragung des Ausgangs-Zustands des Komparators 17 (am Eingang 17' der Logikeinheit 15) veranschaulicht. Dieser Komparator-Zustand, d.h. das Komparator- Ausgangssignal V gemäß Fig. 7, kann direkt als Positionssignal verwendet werden, wie in Fig. 8 mit einem Block 27 veranschaulicht ist.
Im Hinblick auf die Ermittlung der Drehrichtung werden aus Sicherheitsgründen bevorzugt beide vorstehend anhand der Fig. 7 erläuterten Varianten, mit einer Berechnung ausgelöst durch eine ansteigende Flanke des Impulssignals V und eine Berech- nung ausgelöst durch die fallende Flanke, in Kombination durchgeführt, vgl. die beiden Äste 28 und 29 in Fig. 8. Mit den Blöcken 30 bzw. 31 ist dabei die Verwendung der ansteigenden Flanke (Block 30) bzw. der fallenden Flanke (Block 31) veranschaulicht. Der kombinierte Strom Iκ wird sodann zu Ver- gleichszwecken der Logikeinheit 15 am Eingang 14' zugeführt und in der Logikeinheit 15 entsprechend den Blöcken 32 bzw. 33 mit vorgegebenen Werten I0 + IA + IB ~ T bzw. I0 + T verglichen, wobei die Ströme I0, IA und IB die Bedeutung wie vorstehend anhand der Fig. 7 erläutert haben und mit T eine To- leranzgröße im Hinblick auf Bauteiltoleranzen in der Schaltung berücksichtigt ist. Stellt sich beim Vergleich gemäß Block 32 heraus, dass der Wert Iκ des kombinierten Stroms nicht größer als der vorgegebene Wert I0 + IA + IB - T ist, s. Ausgang N, so wird auf die Drehrichtung I entschieden (Aus- gangsblock 34) . Trifft jedoch die Bedingung Iκ > I0 + IA + IB - T zu, s. Ausgang Y des Blocks 32, so wird auf die Drehrichtung II entschieden (Ausgangsblock 35) . Im Fall der Triggerung der Auswertung durch die fallenden Flanken des Komparator-Ausgangssignals, s. Ast 29 in Fig. 8, wird eine Drehrichtung I festgestellt, wenn Iκ nicht kleiner als I0 + T ist; im anderen Fall wird auf die Drehrichtung II entschieden, s. die Ausgangsblöcke 36 und 37 in Entsprechung zu den Ausgangsblöcken 34, 35 im Ast 28.
In Fig. 9 ist in einem kombinierten Zeitdiagramm ähnlich Fig. 7 die Situation bei Verwendung einer modifizierten Doppelsensoreinheit gemäß Fig. 6 veranschaulicht, bei der als Ausgangssignale der Sensoreinheit 21 einerseits ein Geschwindigkeitssignal - Strom I3 - und andererseits ein Richtungssignal - Strom ID - erhalten werden, vgl. die Zeilen 9.1 und 9.2 von Fig. 9.
Mit den Punkten 41, 42, 43 und 44 in der Zeile 9.2 von Fig. 9 ist jeweils eine Drehrichtungsumkehr des nicht näher gezeigten Motors veranschaulicht. In der Zeile 9.3 ist wiederum der kombinierte Strom Iκ gezeigt, der sich aus den Anteilen I0 (Versorgungsstrom) , I3 (Geschwindigkeitssignal-Strom) und I0 (Richtungssignal-Strom) zusammensetzt. Ähnlich wie in Fig. 7 sind wiederum Abtastzeitpunkte 23 (für eine Abtastung bei steigenden Flanken des Komparator-Ausgangssignals V, vgl. Zeile 9.4, bzw. des Geschwindigkeits-Stromsignals I3) und bei 24 die Abtastzeitpunkte bei den entsprechenden abfallenden Flanken dieser Impulse veranschaulicht. In entsprechender Weise können hier somit nicht nur die Informationen betreffend die Geschwindigkeit (durch Regenerieren der Stromimpulse I3 aufgrund der Komparator-Ausgangsimpulse, Zeile 9.4), son- dern auch die Informationen betreffend die jeweilige Drehrichtung des Motors, in einer Weise ähnlich wie vorstehend anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben, hergeleitet werden.
Auch kann hier die Auswerteeinheit 16 (s. Fig. 5) aufgrund der Geschwindigkeitsdaten und der Drehrichtungsdaten die Position des Motors immer korrekt erfassen. In allen vorstehend beschriebenen Fällen wird ein kombiniertes Signal über eine einzige Leitung VBATT, statt wie früher über zwei gesonderte Leitungen, zur eigentlichen Auswerteeinheit 16 transportiert. Im Fall der modifizierten Signal- bzw. Sensoreinheit 21 gemäß Fig. 6 ist zu beachten, dass die Widerstände RS und RD so gewählt werden sollten, dass die Amplitude des Signals in allen Situationen der Motordrehrichtungen über die Schwelle X des Komparators 17 kommt. Dadurch ist auch hier sichergestellt, ähnlich wie im Fall der Fig. 7, dass das Komparator-Ausgangssignal V dem Geschwindigkeitssignal gemäß der Zeile 9.1 in Fig. 9 entspricht.
Wie somit ersichtlich wird die Zahl der zu verwendenden Leitungen durch die beschriebene Technologie reduziert, und zwar auf das Minimum der beiden zur Stromversorgung grundsätzlich notwendigen zwei Leitungen. Durch diese geringe Anzahl an Leitungen können auch Steckerpins auf der Seite der Sensoreinheiten ebenso wie auf der Seite der Auswerteeinheit eingespart werden, was zu einem kleineren Steckervolumen und damit zu einem geringeren Platzbedarf führt. Weiters wird durch die Reduktion der Leitungen und Steckerpins auch eine Gewichtsreduktion, ferner eine geringere Ausfallswahrscheinlichkeit und eine Verringerung des notwendigen Bauraums erreicht. Diese Vorteile führen in weiterer Folge auch zu einer größeren FIe- xibilität und zu geringeren Kosten.
Diese Vorteile werden in entsprechender Weise auch dann erzielt, wenn ganz allgemein Quadratursignale von einer Signaleinheit geliefert und ausgewertet werden sollen. Spezifisch für die Erzielung der Vorteile ist in erster Linie die beschriebene Form der „Kodierung" der mindestens zwei Signale der Signaleinheit, wobei hier außer einer Sensoreinheit, wie vorstehend beschrieben, auch andere Messmittel, wie ein Glasmaßstab etc., als Ausgangspunkt für die Signale vorliegen können. Bevorzugt wird jedoch die Erfindung im Bereich von Kraftfahrzeugen, und hier wiederum insbesondere bei der Erfassung von Parametern, wie Position, Drehrichtung oder Ge- schwindigkeit, eines Läufers eines Elektromotors angewandt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) mit einer Signaleinheit (11; 21) und mit einer mit dieser Signaleinheit (11; 21) verbundenen oder verbindbaren Auswerteeinheit (16), zum Erfassen von Quadratursignalen der Signaleinheit (11; 21), wobei die Signaleinheit (11; 21) eine einzige Stromversorgungsleitung (VBATT_A&B) und eine Masseleitung (GND) aufweist und im Betrieb mindestens zwei gegeneinander in der Phase verschobene Rechtecksignale (1^; Ig/ Ig; ID) zur Auswertung in der Aus¬ werteeinheit (16) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinheit (11; 21) die beiden Phasen-verschobenen Rechtecksignale (Ij, Iß; Ig, ID) mit verschiedenen Amplituden an die einzige Stromversorgungsleitung (VBATT A&B) anlegt, wobei die beiden Rechtecksignale (1^; Ig/ Ig; ID) auf den über die Stromversorgungsleitung (VBATT_A&B) zugeführten Versorgungsstrom (IQ) aufmoduliert werden, und dass die Auswerteeinheit (16) einen Komparator (17) enthält, von dem ein Eingang (18) mit der einzigen Stromversorgungsleitung (VBATT A&B) verbun- den oder verbindbar ist, wogegen an den anderen Eingang (19) ein vorgegebener Schwellenwert (X) angelegt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rechtecksignale (1^; Ig/ Ig; Ip) über vonein- ander verschiedene Widerstände (RA, RB; RS, RD) an die gemeinsame Stromversorgungsleitung (VBATT A&B) angelegt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (X) einen Pegel zwischen den bei- den Amplituden der beiden Rechtecksignale (I,, Iß; Ig, IjO; zuzüglich der Amplitude des Versorgungsstroms (IQ)/ aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators (17) mit ei- nem gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators (17) mit einem Eingang (17') einer Logikeinheit (15) verbunden ist, die an einem weiteren Eingang (14') mit der Stromversorgungsleitung (VBATT_A&B) zur Zuführung der auf den Versorgungsstrom (IQ) aufmodulierten Rechtecksignale (1^; Ig/ Ig; ID) verbun¬ den ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (15) eingerichtet ist, die aufmodulier- ten Rechtecksignale (1^; Ig/ Ig; ID) bei steigenden und/oder fallenden Flanken des Komparator-Ausgangssignals (V) durch Vergleich mit vorgegebenen Werten auszuwerten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinheit (11; 21) eine Sensoreinheit mit mindestens zwei Sensoren (A, B) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (A, B) Positionssensoren eines Elektromotors sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale als solche an die gemeinsame Versorgungsstromleitung (VBATT A&B) angelegt werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinheit (21) ein Logikmodul
(2AB) enthält, das zur Herleitung von durch Verknüpfung der ursprünglichen Signale gebildeten Signalen eingerichtet ist, wobei die Rechtecksignale (Ig, ID) entsprechend diesen abgeleiteten Signalen auf den Versorgungsstrom (IQ) aufmoduliert werden .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Verknüpfung der ursprünglichen Signale gebildeten Signale aus Positionssensor-Ausgangssignalen gebildete Geschwindigkeits- und Drehrichtungssignale (S, D) sind.
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