DE10330202B4

DE10330202B4 - Schaltungsanordnung zur Überwachung und Auswertung von Sensorsignalen

Info

Publication number: DE10330202B4
Application number: DE10330202.6A
Authority: DE
Inventors: Micha Heinz; Wolfgang Joeckel
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: DE10330202A1

Abstract

Sensorschaltung zur Abtastung eines magnetischen Encoders mit mindestens einer Messbrücke (11, 11'), wobei die Messbrücke mit einem Versorgungsstrom gespeist wird und die Sensorschaltung mindestens einen Messsignalverstärker umfasst, welcher das Messsignal der Brücke verstärkt und ausgangsseitig das verstärkte Signal einem ersten Eingang (1) eines Komparators (6) oder eines Analog/Digital-Wandlers zur Umwandlung des analogen Wechselsignals in ein Digitalsignal zuführt, gekennzeichnet – durch mindestens eine Umschalteinrichtung (8), welche den Strom in der Messbrücke zur Erhöhung der Genauigkeit und des Störabstandes verändert, und – durch einen Spannungsfolger, der mit einem Mittenpotenzial der mindestens einen Messbrücke und dem Referenzpotenzial des Komparators (6) oder Analog/Digital-Wandlers leitfähig verbunden ist, welcher das Referenzpotenzial des Komparators auf die Messbrücke (11) bezieht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
In einem elektrohydraulischen Bremssystem (EHB) oder einem elektromechanischen Bremssystem (EMB) wird der zum Bremsen erforderliche hydraulische Druck mittels eines Bremsensteuergeräts in Abhängigkeit von der Stellung eines Bremswertgebers, insbesondere Bremspedals, in die Radbremszylinder eingesteuert. Die Signalübertragung zum Bremsensteuergerät erfolgt im Normalfall über elektrische Leitungen (brake-by-wire). Wegen der hohen Sicherheitsanforderungen ist der Bremswertgeber entsprechend der Ausführung in der EP-A-1 252 481 mit einem redundant aufgebauten Wegsensoren ausgerüstet. Ein solches an sich bekanntes System umfasst daher zwei im wesentlichen gleichartige magnetoresistive Sensorelemente (z. B. Chipelemente mit Brückenschaltungen), welche jeweils magnetfeldempfindliche Doppelbrücken aufweisen. Die in den Sensoren enthaltenen magnetfeldempfindlichen Sensorelemente messen den Betätigungsweg des Bremswertgebers im Zusammenwirken mit einem magnetischen Encoder, in den ein periodisches Nord-Südpol-Muster entlang der Encoderachse eingeprägt ist. Der Encoder ist hierzu insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Das Wandlerelement weist bevorzugt eine magnetoresistive Doppelbrücke auf, so dass am Ausgang einer geeigneten elektrischen Auswerteschaltung bei Bewegung des Bremspedals ein im wesentlichen sinus- und ein im wesentlichen cosinusförmiges Signal ausgegeben wird.
An die zur Wegmessung zur Herstellung von Redundanz verwendeten Sensoren werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Ein erste Sensor ist für eine Wegmessung mit niedriger Ortsauflösung vorgesehen (LR-Sensor). Der weitere Sensor, hier HR-Sensor genannt, hat eine höhere Auflösung. Da der Sensor mit der höheren Auflösung einen unerwünscht hohen Stromverbrauch hat, wird dieser erst nach einem Aufweckablauf zugeschaltet, so dass im Normalbetrieb beide Sensoren zur Herstellung von Redundanz vorhanden sind. Bei abgeschalteter Zündung befindet sich der LR-Sensor in einem Zustand mit sehr geringer Stromaufnahme (sleep-mode) von insbesondere weniger als 100 μA bezogen auf den gesamten Sensor. Durch ein geeignetes Wecksignal, welches zum Beispiel bei Einschalten der Zündung oder Betätigen des Bremspedals erzeugt wird, wird das der LR-Sensor in einen zweiten Zustand mit höherem Stromverbrauch umgeschaltet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, für die vorstehend beschriebene Wegmessanordnung, insbesondere für einen Sensor mit umschaltbarer Flankenerkennungsgenauigkeit, eine Messsignalschaltung anzugeben, die bei geringem Stromverbrauch, die Bewegung des Bremspedals über die Änderung der analogen Brückenspannung noch ausreichend sicher erkennt und außerdem die sensierte Bewegung in einen Signalimpuls umwandelt. Hierbei besteht die Anforderung einer hohen Positionsgenauigkeit und Störfestigkeit im Zustand mit niedrigem Energieverbrauch.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 bei der die analogen Brückenspannungen in Digitalsignale umwandelt werden.
Bei der Sensorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bevorzugt um eine Erweiterung des in der WO 02/09989 A1 angegebenen Systems zur sicheren Übertragung der Position eines Betätigungselements an eine elektronische Verarbeitungseinheit über elektrische Signalleitungen, bei der das Positionssignal über mehrere Signalkanäle übertragen wird.
Vorzugsweise enthält jeder der redundanten Sensoren des Wegmesssystems mindestens je eine, insbesondere zwei oder mehrere, magnetoresistive Brücke/n und jeweils eine der Brücke zugeordnete Sensorschaltung.
Gemäß der Erfindung wird eine neuartige Verstärkungsschaltung angegeben, mit der die Eingangssignale der Brücken so verstärkt werden, dass die Brückenspannungen der Sensoren durch die Schaltung zur Sensorsignalauswertung nur wenig beeinflusst werden. Dies wird vorzugsweise unter anderem durch ratiometrische Verarbeitung des Signals und die Verwendung von einem Komparator vorgeschalteten Signalverstärkern erreicht. Außerdem wird zumindest ein Spannungspotenzial einer Messbrücke über einen Spannungsfolger auf das Spannungsniveau des Komparatorausgangs der entsprechenden Messbrücke gelegt.
An Stelle des Komparators kann alternativ auch ein Analog/Digital-Wandler zur Erzeugung von Rechtecksignalen vorgesehen sein. Der Ausgang des Komparators oder des Analog/Digital-Wandlers der ersten Brücke wird vorzugsweise mit dem entsprechenden Ausgang einer weiteren Brücke logisch verknüpft.
Als Verstärkungselemente zur Verstärkung des Messsignals werden bevorzugt handelsübliche Operationsverstärker verwendet. Es ist in einigen Fällen zweckmäßig, dass die eingesetzten Verstärkungselemente eine vergleichsweise geringe Eckfrequenz aufweisen, da sich hierdurch eine Filterung von Störsignalen ergibt. Allerdings müssen in diesem Fall einbußen in der maximal möglichen Bewegungsgeschwindigkeit des Encoders in Kauf genommen werden. Daher kann es erforderlich sein, dennoch Verstärkungselemente mit hoher Eckfrequenz einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Schaltung befindet sich vorzugsweise gemeinsam mit dem Sensorelement in der Baugruppe eines Sensors. Die Schaltung ist also insbesondere in das Gehäuse des Sensors integriert. Der Ausgang der Schaltung ist vorzugsweise mit dem Eingang einer Impulserzeugungseinrichtung ”Pulse-Logic” verbunden, wie sie in 5 der WO 02/09989 A1 mit Bezugszeichen 49 bezeichnet ist.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gegenüber der Schaltungsanordnung des Sensors in der WO 02/09989 A1 ist unter anderem, dass die Sensorschaltung vorzugsweise zwischen einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch und einem Modus mit höherem Stromverbrauch umschaltbar ist, wobei im Zustand des niedrigen Stromverbrauchs die Flankenerkennungsgenauigkeit höher ist, als im Zustand mit höherem Stromverbrauch. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass im Normalbetrieb auf einen dritten Sensorkanal verzichtet werden kann, ohne dass der Vorteil der Redundanz verloren geht.
Unter dem Begriff ”Flankenerkennungsgenauigkeit” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Ortsgenauigkeit des Sensors bei der Erkennung eines Flankenwechsels eines am Sensor vorbeibewegten magnetisierten Encoders verstanden, in den ein periodisches permanentmagnetisches Nord-/Südpolmuster eingeprägt ist.
Ein weiterer Vorteil der Schaltung ist, dass die erreichbare Positionsgenauigkeit und Funktionsfähigkeit nur noch von den Offsetspannungen der verwendeten Bauteile abhängt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren.
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
3 Diagramme zur Darstellung des Signalverlaufs in der Schaltungsanordnung gemäß 1 und
4 eine alternative Schaltungsanordnung für Operationsverstärker mit hoher Bandbreite.
In den 1 und 2 sind Varianten für die Beschaltung der Operationsverstärker dargestellt. Den Schaltungen ist gemein, dass die Brückenzweige durch die Messsignalverarbeitung besonders gering belastet werden.
Die in der dargestellten Schaltung verwendeten Sensoren 11 und 11' erzeugen über magnetoresistive Brückenschaltungen in Verbindung mit einer geeigneten Versorgungsspannung bei entsprechender Encoderbewegung ein sinus- und ein cosinusförmiges Spannungssignal an den Ausgängen 4 und 5 bzw. 4' und 5'. Die Genauigkeit des Tastverhältnisses für Sensor 11 hängt von der Qualität der Eingangssignale (die Brückensignale sollen idealerweise genau 90° phasenverschoben sein), der Größe der Offsetspannung des Operationsverstärkers und des Komparators ab.
Am Ausgang der erfindungsgemäßen Schaltung wird ein Signal mit einem Tastverhältnis von 1:1 angestrebt. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, Operationsverstärker und Komparatoren mit geringem Eingangsoffset zu verwenden.
In 1 ist die Beschaltung der Komparatoren Comp1 und Comp2 dargestellt. Die Schaltung ist durch eine spezielle Anordnung von Rail-to-Rail Komparatoren (Comp1 und Comp2) gekennzeichnet. Es ist bei den Komparatoren eine große Hysterese vorgesehen, damit die Schaltung gegenüber Störungen unempfindlich ist. Gleichzeitig ist jedoch eine streng ratiometrische und symmetrische Auslegung sinnvoll, um ein Ausgangssignal mit einem 1:1 Tastverhältnis zu erzielen.
Die Referenz für die Komparatoren ist aus der Brückenspannung abgeleitet (durch Operationsverstärker gepuffert, d. h. keine Beeinflussung der Brücke), in dem sie auf Punkt P₁ in 1 bezogen wird. Dadurch wird eine Asymmetrie der Ausgangsimpulsfolge durch Gleichtakteinflüsse vermieden. Hierzu ist mit Klemme 5 der Brücke der (+)-Eingang eines als Verstärker betriebenen Operationsverstärkers 10 verbunden, welcher zu Klemme 1 des Komparators 6 führt. Der (+)-Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 7 führt zu Klemme 4 der Brücke 11 und dem (–)-Eingang des Verstärkers 10. Dabei weist die Rückkopplungsleitung 16 des Operationsverstärkers 7 keinen Widerstand auf, so dass Operationsverstärker 7 als Spannungsfolger wirkt und eine Referenzspannung an Eingang 2 des Komparators 6 führt.
Die Hysterese des Komparators 6 ist vom Eingangssignal der Komparatorschaltung abhängig. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus und wegen der Verwendung von Rail-to-Rail Komparatoren bleibt dies jedoch ohne Einfluss auf das Tastverhältnis am Ausgang der Schaltung.
Der Versorgungsstrom der magnetoresistiven Sensorbrücke wird nach dem Wecken hochgeschaltet. Das Einschalten kann durch entsprechende Pegel auf Leitungen SWITCH1 und SWITCH2 vorgenommen werden. Hierdurch wird eine größere Signalamplitude und damit ein verbesserter Störabstand erreicht.
Durch zwei symmetrische Vorwiderstände, die im Betriebsmode überbrückt werden, lässt sich der gewünschte niedrige Brückenstrom einstellen.
In Serie mit der Sensorbrücke sind zusätzlich NTC-Widerstände 12 geschaltet, welche eine passive Temperaturkompensation ermöglichen. Hierdurch erhöht sich die Brückenspannung mit steigender Temperatur, so dass dem Temperatureffekt der Brücke entgegengewirkt wird. Ohne die NTC-Widerstände würde eine steigende Temperatur ein Sinken der Ausgangsamplitude bewirken. Da die absolute Brückenamplitude im LR-Sensor nicht ausgewertet wird, muss die Kompensationskennlinie nicht genau invertiert zu der Temperatur-Kennlinie der Brücke sein. Es genügt, wenn sie sich in der gleichen Größenordnung bewegt. Der Einsatz von zwei NTC-Widerständen ermöglicht die Aufrechterhaltung der Ratiometrie in der Analogschaltung.
In der dargestellten Schaltungsanordnung werden die NTC-Widerstände 12 im Modus mit hohem Stromverbrauch mittels Halbleiterschaltelementen 8 kurzgeschlossen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Flankenerkennungsgenauigkeit des Sensors zu erhöhen. Da im Modus mit hohem Stromverbrauch das Ausgangssignal der Brücke deutlich erhöht wird, ist eine Kompensation nicht nötig. Man könnte aber auch die NTC-Widerstände als zusätzliche serielle Widerstände vorsehen.
Bei der bevorzugten Realisierung der Schaltung auf Hybriden mit gedruckten Widerständen ergeben sich noch weitergehende, einfach zu realisierende Möglichkeiten zur Temperaturkompensation, die in den Figuren nicht gezeigt sind:
Es können Rückführwiderstände RV1, RV2 mit positivem Temperaturkoeffizienten verwendet werden. Da die Verstärkung durch die Widerstandswerte der Sensor-Brückenwiderstände und die Rückführwiderstände eingestellt wird, kann einen Temperaturkompensation mittels der temperaturunabhängiger Widerstände erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Hysterese-Widerstände RH1 bis RH4 durch eine geeignete Voreinstellung der jeweiligen Temperaturkoeffizienten zu realisieren. Eine Einstellung des Temperaturkoeffizienten kann bei einem Aufbau der Schaltung in Dickschichttechnologie besonders Einfach durch Vorteile, da sich positive oder negative Temperaturkoeffizienten durch reine Materialauswahl realisieren lassen.
Entsprechendes gilt auch für die Temperaturabhängigkeit der Offsetspannungen von Sensor und den nachfolgenden Stufen. Der Gesamtoffset lässt sich dann durch geeignete Voreinstellung der Temperaturkoeffizienten der Widerstände RH1 bis RH4 im wesentlichen vollständig ausgleichen.
In 3 ist der Signalverlauf an einigen Punkten der Schaltung in 1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt für den Fall, dass sich ein Encoder gleichmäßig an der Messbrücke vorbeibewegt und diese in Folge dessen ein Sinussignal an der ersten Brücke (11 in 1 und 2) und ein Cosinussignal an der zweiten Brücke (11' in 2) erzeugt. Teilbild a) stellt den Verlauf der Spannungssignale ohne Einwirkung eines Magnetfeldes dar. In Teilbild b) sind die Signalverläufe an den Punkten U₁ und U₂ bei vorbeilaufendem Encoder dargestellt, für den lediglich zur Erläuterung gedachten Fall, dass keine Operationsverstärker an die Brückenausgänge 4 und 5 angeschlossen sind. Teilbild c) zeigt den Signalverlauf mit angeschlossenen Operationsverstärkern. Durch die Einwirkung der in der dargestellten Weise geschalteten Operationsverstärker 10 und 7 wird das Potenzial U₂ auf das Potenzial von U₁ gelegt. Das Potenzial auf der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 7 verbundenen Leitung P₂ wird als Referenzspannung für den Komparator verwendet. Das durch Operationsverstärker 10 verstärkte Signal wird an Punkt P₁ abgenommen. Teilbild d) zeigt das Ausgangssignal 9 A_out am Ausgang des Rail-To-Rail-Komparators 6. Das Tastverhältnis beträgt nahezu 1:1.
Wie bereits weiter oben beschrieben, ist zumindest einer der zur Wegmessung verwendeten Sensoren, die jeweils zwei Sensorelemente 11 und 11' enthalten, für unterschiedliche Messanforderungen einstellbar. Der LR-Sensor ist mit Klemme 30 im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden und hat eine Auflösung von etwa 625 μm/Puls. Ein weiterer Sensor der Wegmessanordnung, welcher bevorzugt nicht einstellbar ist (HR-Sensor), hat eine Auflösung von etwa 40 μm/Puls und wird nach einem Aufweckablauf zugeschaltet, so dass im Normalbetrieb beide Sensoren redundant vorhanden sind. Der HR-Sensor bildet dabei den Magnetfeldverlauf des bewegten Encoders analog bzw. quasianalog in ein elektrisches Signal ab. Bei abgeschalteter Zündung befindet sich der LR-Sensor in einem Zustand mit sehr geringer Stromaufnahme (sleep-mode) von typischerweise weniger als 100 μA bezogen auf den gesamten Sensor. Durch ein geeignetes Wecksignal, welches zum Beispiel bei Einschalten der Zündung oder Betätigen des Bremspedals erzeugt wird, wird das EHB-System und der LR-Sensor in einen zweiten Zustand mit höherem Stromverbrauch umgeschaltet.
Die digitalen Ausgangssignale 9 und 9' der ersten Brückenschaltung und die der zweiten Brückenschaltung können miteinander auf beliebige Weise z. B. mit einem digitalen Logik-Baustein zu einem gemeinsamen Signal verknüpft werden, welches eine zusätzliche Information über die Bewegungsrichtung des Encoders umfasst, z. B. entsprechend der in der WO 02/09989 beschriebenen Beispiele für das Übertragungssignal an die elektronische Auswerteeinheit (ECU).
In 4 ist eine Schaltungsvariante für eine erfindungsgemäße Sensorschaltung dargestellt, bei der Operationsverstärker mit höherer Bandbreite eingesetzt werden. In 4 ist zur Vereinfachung lediglich eine Brücke 11 dargestellt. Durch den hierdurch höheren Eingangsoffset der Operationsverstärker ist ein zusätzlicher Offsetausgleich erforderlich, was besonders einfach mit einem trimmbaren Spannungsteiler 15 erreicht werden kann. Im dargestellten Teil der Schaltungsanordnung ist Punkt X mit Eingang 14 in 1 verbunden.

Claims

Sensorschaltung zur Abtastung eines magnetischen Encoders mit mindestens einer Messbrücke (11, 11'), wobei die Messbrücke mit einem Versorgungsstrom gespeist wird und die Sensorschaltung mindestens einen Messsignalverstärker umfasst, welcher das Messsignal der Brücke verstärkt und ausgangsseitig das verstärkte Signal einem ersten Eingang (1) eines Komparators (6) oder eines Analog/Digital-Wandlers zur Umwandlung des analogen Wechselsignals in ein Digitalsignal zuführt, gekennzeichnet – durch mindestens eine Umschalteinrichtung (8), welche den Strom in der Messbrücke zur Erhöhung der Genauigkeit und des Störabstandes verändert, und – durch einen Spannungsfolger, der mit einem Mittenpotenzial der mindestens einen Messbrücke und dem Referenzpotenzial des Komparators (6) oder Analog/Digital-Wandlers leitfähig verbunden ist, welcher das Referenzpotenzial des Komparators auf die Messbrücke (11) bezieht.
Sensorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaltung pro Brücke einen ersten (5) und einen zweiten Brückenausgang (4) umfasst, – der Spannungsfolger im Zweig des ersten Ausgangs oder im Zweig des zweiten Ausgangs angeordnet ist und – in einem Zweig ein Verstärkerbauelement (10) und in dem weiteren Zweig ein Spannungsfolger (7) angeordnet ist, welcher insbesondere den angeschlossenen Brückenzweig weitestgehend von der Nachfolgeschaltung entkoppelt.
Sensorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Eingang des Komparators (6) insbesondere über einen Spannungsfolger mittelbar mit einem Brückenzweig verbunden ist, während der zweite Eingang des Komparators (6) mit dem verstärkten Signal der Brücke beaufschlagt wird.
Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung elektronisch überbrückbare temperaturabhängige Widerstände (12) umfasst, welche in Reihe mit der Messbrücke geschaltet sind.
Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein herkömmlicher Widerstand (13) zwischen dem High-Side-Potenzial und Messbrücke und ein herkömmlicher Widerstand (14) zwischen Messbrücke und Low-Side-Potenzial der Messbrücke geschaltet ist.
Sensorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Überbrückung der Widerstände eingesetzten Halbleiterschaltelemente (8) durch eine Wake-Up-Einrichtung angesteuert werden.
Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der für die Umwandlung des Messsignals in ein Digitalsignal eingesetzten Operationsverstärker ein Rail-To-Rail-Operationsverstärker ist und/oder der eingesetzte Komparator (6) ein Rail-To-Rail-Komparator ist.
Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Messsignal ratiometrisch durchgeführt wird.
Sensorschaltung in einer Wegsensorvorrichtung mit magnetoresistiven Elementen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegsensorvorrichtung Bestandteil einer ”brake by wire”-Bremsanlage, wie z. B. eine elektrohydraulische Bremsanlage oder eine elektromechanische Bremsanlage, ist.
Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsstrom der mindestens einen Messbrücke in einem Modus mit niedrigem Stromverbrauch der Schaltungsanordnung geringer als 100 μA, insbesondere geringer als 20 μA ist.
System zur Wegmessung in einer überwiegend elektronisch gesteuerten Bremsanlage mit einer Sensorschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Erzeugung eines Impulssignals zum Ermitteln des zurückgelegten Weges eines magnetischen linearen Encoders, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens einen hochauflösenden Wegsensor und mindestens einen niedrigauflösenden Wegsensor mit umschaltbarer Flankenerkennungsgenauigkeit umfasst.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im niedrigauflösenden Wegsensor die Sensorschaltung einen ersten Betriebszustand mit niedrigem Stromverbrauch aufweist, wobei dieser bei Erkennung einer Bewegung ein Wegsignal erzeugt, welches den niedrigauflösenden Wegsensor in einen weiteren Betriebszustand mit höherem Stromverbrauch versetzt, wobei der niedrigauflösende Wegsensor im Zustand mit höherem Energieverbrauch eine höhere Flankenerkennungsgenauigkeit besitzt, als im Zustand mit niedrigem Stromverbrauch.