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CN1582238A - 感应式传感器的分析电路 - Google Patents

感应式传感器的分析电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用外部激励的电感、电磁传感器的分析电路，这个电路的输出信号在反相低通(12)里转换成参考电压(Vref)，并转换成输出信号(Out)，这个输出信号(Out)不具有磁滞变形并免于多次触发。在诊断电路(6)中通过参考电压与三个电压阈值的比较既识别导线中断又识别根据电池电压电位的短路或参考电压电位的短路。

Description

感应式传感器的分析电路
如权利要求1的前序部分所述的，本发明涉及一个轴的感应式传感器的分析电路，特别是用于检测汽车内燃机的曲轴的扭转特性的传感器。
曲轴或凸轮轴的扭转特性(角位置、角速度-转数、加速度)的精确知识对于汽车内燃机的驱动是必需的。此外借助这些知识电子马达控制能确定燃油喷射和点火的正确时刻。譬如，这些参数对于控制传动自动化或防抱死系统是重要的。
基于马达技术的持续发展提出这些数据越来越多地用于确定所导出的参数。对此的一个例子是立法者要求的点火停止的关于废气的识别(不点火检测)。在汽缸里的燃烧过程中(工作行程)曲轴得到一个加速度，这就引起曲轴角速度的提高。如果不发生燃烧，譬如由于缺少点火，则角速度就不会提高。
对在工作行程中的角速度变化(加速)的观察因而说明了必要的燃烧。在此，重要的不是所测量的参数，而是使用从这些所测量的参数中推导出的参数。此外，所导出的参数与所测量的参数比是最小，～0.001，这就更加困难地产生影响。
这些条件对测量系统的检测准确度提出要求，用已知的适合用于汽车的传感器还不能满足这些要求。
相对污染和高温的稳定性、协调性的高要求已导致继续使用磁传感器。磁传感器由具有磁轭的永久磁铁组成，该磁轭由用于产生和导通静态磁场的铁磁材料(铁)制成。在待测量的轴上如此固定一个齿轮，以致这些齿立于静态磁场中。运动齿轮的齿和齿隙的交替引起磁场的变化，这个变化由传感器检测到。
但是被动的磁传感器系统(具有用于产生和导通静态磁场的铁磁轭的永久磁铁和传感器线圈，在这个线圈中由于磁场变化感应交流电压信号)有几个缺点。
这样传感器电压信号的振幅与频率是约成比例(在20-6000Hz时，～0.1V-100V)，以这个频率齿轮的齿在传感器上转过。传感器信号在一个这样宽的范围里的过零点的精确识别是可十分困难地执行的。昂贵的、扭曲的和屏蔽的导线是必需的。传感器信号的小的最小振幅使浪费的信号导通成为必需，并增加了EMV干扰信号耦合的危险。
这个传感器系统只允许被限制的对传感器故障或导线故障的诊断可能性。大的振幅动荡不允许通过阈值识别来简单识别导线中断。
此外永久磁铁产生的磁场的强度影响传感器信号的振幅。这个磁铁必需忍受与此相应的窄，这继续增加了成本。
传感器信号检测正确性的改善能通过测量传感器电流来实现，由于齿序频率在(通过L/R时间常数给出的)角频率上的振幅(相对传感器电压)近似为常数。通过这样实质上减少由分析电子引起的检测正确性的错误成分。
但是在用永久磁铁励磁的传感器上存在这个问题，在测量电流时(并因此必需的传感器的短路)传感器里自身产生的电流产生一个反磁场，该磁场对抗永久磁铁产生的磁场。
如果现在传感器工作在高温和强机械振动的情况下，则存在危险，永久磁铁缓慢地退磁，这样传感器最后丧失功能。没有这个反磁场一个典型的曲轴传感器在其生命期中也丧失约30％的磁力。
替代地用外部激励的电磁传感器也能工作。在此，由软磁材料、譬如硅钢片、取代永久磁铁，而且传感器线圈产生一个恒流，这个电流接着磁化材料。此处不发生缓慢的退磁。在效果上用永久磁铁励磁的传感器和用外部激励的传感器功能相同。
JP4-223272A已公开电磁传感器的分析电路，该传感器借助耦合电容与反相放大器的反相输入端连接。在这个放大器的输出端出现一个电压，该电压的直流电压电位通过施加在非反相输入端上的参考电压来确定。该传感器输入端的交流电压在耦合电容大小适当时非常小(只有几个mV峰值-峰值)。这个想法的问题是实际必需的耦合电容的值。这个值必须大于1000μF，以在要求最小的齿序频率时譬如20Hz(内燃机的起始过程)还是足够的低阻。电容的阻抗过大很可能引起传感器的交流电压，通过这个交流电压传感器的下面的角频率向上偏移。此外电容必须考虑约20V电压强度，因此在故障情况下，比方电池电压引起的短路，不会出现损害。该电容也必须(就像在汽车电子中普遍一样)考虑直至125℃的温度的长期工作。这种结构的电容一方面非常贵，另一方面不可接受的大。此外，这个电路具有连接为施密特触发器的运算放大器，该放大器将模拟输出信号转换成数字信号、譬如一个方波信号，从而能由紧接其后的数字频率分析单元处理。
但是与施密特触发器连接的磁滞在探测电压过零点时引起转换时刻的时间上的推移，这个推移还取决于输入信号的振幅。这不会引起测量准确性的改善并因此不可接受。出于上述的原因已公开的电路对汽车应用是不合适的。
本发明的任务是提出一个用于感应式传感器的成本低的分析电路，这样在提高EMV安全时避免磁滞引起的传感器信号的时间延迟和多次触发并可能关于短路和导线中断简单诊断传感器。
如发明的权利要求1所述的特征的分析电路可解决本这个任务。
下面就附图对本发明的一个实施例详细说明。其中：
图1本发明的分析电路的电路原理结构，及
图2这个电路的不同的信号变化。
图1示出，虚线框中的，通过直流外部激励的传感器1作为交流源I1，这个交流源同时代表传感器-短路电流。与这个交流源并联的电感L1代表传感器电感，而与这两者串联的电阻R1描述了线圈电阻，在这个电阻上在直流外部激励时直流电压下降，这个直流电压用作分析电路参考电压的参考点。
如果传感器1工作在没有输出负载时，交流电压随频率成比例增加，由于电感L1的阻抗(＝2πL)一直增加并通过交流源I1形成一个越来越大的电压降。如果传感器工作在短路状态，则在传感器电感L1和线圈电阻R1间得到一个分流器。在角频率ω0＝L1/R1以上电感阻抗如此大，以致传感器电流I1主要通过线圈电阻R1流出。
用于外部激励传感器1的恒流源2由电源电压源V1(譬如5V)和在输出端里具有反极性保护二极管D1的电流镜像(Q1、Q2、R2和R3)。
两个晶体管Q1和Q2构成了电流镜像，他们的基极相互连接并且每个发射极分别通过电阻R2、R3与电源电压源V1连接。晶体管Q2的基极和集电极相互连接，这样这个晶体管的作用像二极管，并且通过电阻R4与参考电压电位GND连接。
通过R3、Q2和R4的串联电路的电流由电阻值和Q2上的电压降来确定。如果R3选为50Ω而R4选为370Ω，则在用5V供压时约10mA的电流流出。如果现在R2同样选为50Ω，则通过晶体管Q1和二极管D1同样流出10mA的电流(进而继续与Q1的集电极电位无关)。二极管D1阻止电池引起的传感器导线的短路时Q1的反向并这样避免Q1的破坏。Q1的集电极电流作为激励电流流入传感器1并在线圈电阻R1产生一个譬如为2.5V的直流电压降，接着这个电压降叠加在传感器交流电流(图2中信号s1)上。
传感器-直流电流与传感器-交流电流的总和构成了传感器输出信号s1，这个信号输送给具有被调节的参考电压产生的紧接着的跨导放大器3。
跨导放大器3、放大器A1用其反相输入端通过电阻R6与传感器1和外部激励2连接。电阻R6在出现按照电池电压的短路时保护放大器A1的反相输入端。借助电阻R7实现一个负反馈，该电阻R7将A1的输出端和传感器1连接。A1的非反相输入端通过电阻R5同样与传感器1连接，其中R5和导向参考电位GND的电容C1的串联电路表示一个低通。此外R5在出现按照电池电压的短路时保护A1的非反相输入端。A1的输出端通过电阻R8与放大器A2的反相输入端连接，A2的反相输入端也通过电阻R9和电容C2的并联电路与A2的输出端连接。通过这样放大器A2用作反相低通。
放大器A2的输出端通过电阻R10与A2和A1的非反相输入端连接，以致在放大器A2里低通滤过和反相的A1的输出电压作为参考电压Vref(参见图2中的信号s2)到达A1的非反相输入端。这个参考电压的值与在传感器上下降的直流电压的值相符。因此在A1的输出端形成一个交流电压，其大小通过传感器交流电流和电阻R7阻值的乘积来确定。通过R7的选择能将这个电压调节至3V(峰值-峰值)。通过这样一方面避免了A1输出端的电压限制，另一方面接着继续简单处理这个信号。此外通过R7的负反馈达到，传感器交流电流导致传感器输入端没有多大的交流电压。因此传感器是交流电压短路。
在A1的输出端出现的传感器电压信号s2(图2)为了数字化到达数字化电路4，该数字化电路由施密特触发器K1和布置在与施密特触发器并联的电压比较器K2组成。信号s2直接到达比较器K2的反相输入端并通过电阻R11到达比较器K1的非反相输入端，比较器k1的非反相输入端通过另一个电阻R12与其输出端连接。K1的反相输入端和k2的非反相输入端加有参考电压Vref。通过R11和R12的接通比较器K1成为具有磁滞现象的施密特触发器，磁滞的值由R11/R12的比值和K1的电源电压得出。在K1的输出端出现具有通过磁滞引起的时间延迟的数字输出信号k1(图2中的信号k1)。
在比较器K2里信号s2与参考电压Vref比较。由于此处不存在磁滞现象，输出端精确地在输入端的电压差为0V时接通(图2中的信号k2)。但是在小的有噪声的输入信号处发生多次触发(转换)。
如果比较器K1和K2、就像本来普遍一样、由5V的电压供电，则K1和K2的输出电平为0V和5V，这些输出电平用于逻辑门电路里的继续处理是合适的。
比较器K1和K2的两个输出信号k1和k2最终供给用于构成真正的输出信号Out的逻辑电路5。这个逻辑电路由两个反相器N1和N2，以及由四个NAND门电路U1至U4组成。当NAND门电路的两个输入端同时为高电平时，其输出端只为低电平。这适用于NAND门电路U1至U4。
反相器N1的输入端和NAND门电路N2的一个输入端与施密特触发器K1的输出端连接。反相器N2的输入端和NAND门电路的另一个输入端与比较器K2的输出端连接。N1的输出端与U1的一个输入端连接；同样N2的输出端与U1的另一个输入端连接。U1的输出端也与U3的一个输入端连接；同样U2的输出端与U4的一个输入端连接。U3的输出端与U4的另一个输入端连接；同样U4的输出端与U3的另一个输入端连接。
两个反馈的NAND门电路U3和U4构成(根据Tietze-schenk)一个“透明的”RS触发器。U3的输出端表示逻辑电路的输出端，在这个输出端上附有信号Out。这个RS触发器的真值表如下列出：
U1  U2  Out
低 低 不允许
低 高 高
高 低 低
高 高 Out-1
如由图1和图2中示出的信号明显，施密特触发器K1的反相输出信号k1和比较器K2的反相输出信号k2供给NAND门电路U1，在该门电路的输出端新城一个由施密特触发器滞后的时间延迟的信号u1。
信号k1和k2(没有反相)也供给NAND门电路U2，其输出信号u2从信号k2的上升沿直至信号k1的下降沿为低电平。
以这种方法获得两个信号u1和u2，这两个信号紧邻“透明的”RS触发器。当u1为低电平而且u2为高电平时，这个触发器的输出信号Out是高电平；当u1为高电平而且u2为低电平时，则输出信号Out为低电平。如果u1和u2均为高电平时，则保持前述的状态(Out-1)。因此譬如通过比较器K2多次触发的其余电路状态没有作用。
总而言之，以这种方式在NAND门电路U3的输出端形成一个数字信号Out，跨导放大器A1的输出电压s2的上升和下降过程的相位同步通过参考电压Vref的电平接通。这个相位同步有
-没有磁滞变形，及
-免于多次触发。分析电路的输出信号Out现在能供给继续处理(频率采集等)譬如一个未示出的微处理器。
感应式传感器的诊断电路6由三个比较器K3、K4和K5，分压器R13至R16，以及保持电路H组成。
在比较器K3和K4的非反相输入端以及比较器K5的反相输入端施加参考电压Vref。K3和K4的反相输入端、以及K5的非反相输入端与分压器在各自不同的抽头点处连接。
比较器K3至K5的输出端与保持电路H的输入端连接，该保持电路的输出端导向未示出的微处理器。复位线Reset也与微处理器连接。
分压器如此与电源电压Vcc(5V)和参考电位GND连接，以致在三个抽头处得到不同的电压。通过合适的选择R13至R16的阻值譬如产生一个上电压阈值(譬如4.8V)、一个中电压阈值(譬如4.0V)和一个下电压阈值(譬如0.2V)。
当参考电压Vref置为约2.5V并可在±1V间波动时，比较器K3至K5的输出端接着置为低电平。这与通常的工作情况相符，也就是说，诊断状态为“无故障”。
在导线中断时参考电压Vref上升至约4.3V，该参考电压通过来自电流镜像的晶体管Q1-Q2的电流驱动。接着K4置为高电平并且其值存储在保持电路H里，保持电路H的输出端OW同样为高电平。
在出现按照电池电压电位的短路时参考电压Vref通过已说明的保护电路限制在约5.5V。在这种情况下K3和K4置为高-电平，这个高-电平存储在保持电路H里。SCB和OW的输出端采用高-电平。通过一个附加的、未示出的、简单的连接逻辑能妨碍在出现按照电池电压电位的短路时OW的接通。但是OW的抑制也能通过分析软件在紧接着的微处理器里实现。
在出现按照参考电压电位的短路时参考电压Vref的值非常小，这样比较器K5置为高电平。这个电平同样存储在保持电路H里而且输出端SCG采用高-电平。
已经提及的、但是未示出的微处理器现在能询问和分析施加在保持电路H的输出端的信号电平SCB、OW和SCG并从此识别故障的存在及其类型(导线中断、按照电池电压电位的短路、按照参考电压电位的短路)。在读取这个信号电平后微处理器能借助导线Reset将保持电路H再次复位。通过重复地读取信号SCB、OW和SCG伴随着紧接着分别复位保持电路以及观察信号电平的时间变化过程也可能区别真正的、永久的故障和零星的(可能由干扰电压引起的)假性故障。

Claims (4)

1.感应式传感器(1)的分析电路，特别是针对用于检测汽车内燃机的曲轴扭转特性的传感器，
-具有一个借助恒流源作为外部激励(2)的电磁传感器(1)，
-具有一个跨导放大器(3，A1)，传感器(1)的输出信号(s1)供给所述放大器的反相输入端，所述放大器的输出信号在反相低通(A2)里转变为参考电压(Vref)，该参考电压供给跨导放大器(A1)的非反相输入端，
-具有一个数字化电路(4)该电路具有施密特触发器(K1)和与该触发器并联的电压比较器(K2)，跨导放大器(A1)的输出信号(s2)和参考电压(Vref)供给所述的施密特触发器和电压比较器这两者，其中施密特触发器发出带有磁滞的输出信号(k1)而电压比较器(k2)发出不带有磁滞的输出信号(k2)，以及，
-具有一个逻辑电路(5)，所述逻辑电路(5)由数字化电路(4)的两个输出信号(k1、k2)构成分析电路的不带有磁滞的输出信号(Out)并将其提供用于继续处理。
2.如权利要求1所述的分析电路，其特征在于，逻辑电路(5)具有两个反相器(N1、N2)和四个NAND门电路(U1至U4)，
-反相器(N1)的输入端和NAND门电路(U2)的一个输入端与施密特触发器(K1)的输出端连接，
-反相器(N2)的输入端和NAND门电路(U2)的另一个输入端与电压比较器(K2)的输出端连接，
-反相器(N1)的输出端与NAND门电路(U1)的一个输入端连接，并且反相器(N2)的输出端与反相器(U1)的另一个输入端连接，
-NAND门电路(U1)的输出端与NAND门电路(U3)的一个输入端连接，而NAND门电路(U2)的输出端与NAND门电路(U4)的一个输入端连接，以及
-两个NAND门电路(U3、U4)构成一个透明的RS触发器，由此NAND门电路(U4)的输出端与NAND门电路(U3)的另一个输入端连接，而且NAND门电路(U3)的输出端与NAND门电路(U4)的另一个输入端连接，在所述的NAND门电路(U3)的输出端上可截取用于继续处理的传感器系统的输出信号(Out)。
3.如权利要求1所述的分析电路，其特征在于，
-规定上电压阈值(oS)、中电压阈值(mS)和下电压阈值(uS)，
-识别导线中断，当参考电压(Vref)超过中电压阈值(mS)时，
-识别根据电池电压电位的短路，当参考电压(Vref)超过上电压阈值(oS)时，以及
-识别根据参考电压电位(GND)的短路，当参考电压(Vref)低于下电压阈值(uS)时。
4.如权利要求3所述的分析电路，其特征在于，
-设置一个位于电源电压(Vcc)和参考电压电位(GND)之间的分压器(R13至R16)，用于构成上电压阈值(oS)、中电压阈值(mS)和下电压阈值(uS)，
-设置一个电压比较器(K3)，在所述比较器(K3)里将参考电压(Vref)与上电压阈值(oS)比较，
-设置一个电压比较器(K4)，在所述比较器(K4)里将参考电压(Vref)与中电压阈值(mS)比较，
-设置一个电压比较器(K5)，在所述比较器(K5)里将参考电压(Vref)与下电压阈值(uS)比较，以及
-当参考电压(Vref)不超过中电压阈值和上电压阈值(mS、oS)或不低于下电压阈值(uS)时，则电压比较器(K3至K5)的输出信号的电平是低的，并且存储在保持电路(H)里，从这个保持电路里可调用这些电平用于继续处理并且这些信号的电平通过一个复位信号(Reset)可以被消除。
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