DE102005052261A1

DE102005052261A1 - Schaltung und Verfahren zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102005052261A1
Application number: DE200510052261
Authority: DE
Inventors: Thomas Klotzbuecher; Bernhard Bauer; Reiner Schweinfurth; Johannes Meiwes; Bernd Koeberle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-03
Also published as: CN101013152B; FR2892826B1; CN101013152A; ITMI20062096A1; FR2892826A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement (S1), einem zweiten Sensorelement (S2), einem dritten Sensorelement (S3) und einem vierten Sensorelement (S4), wobei das erste Sensorelement (S1) und das zweite Sensorelement (S2) als erste Gruppe (G1) in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement (S3) und das vierte Sensorelement (S4) als zweite Gruppe (G2) in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe (G1, G2) jeweils etwa auf einer Linie (2, 3) und die Gruppen (G1, G2) in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und die Spannungen (U1, U2, U3, U4) über die Sensorelemente (S1, S2, S3, S4) gemessen werden, wird eine Fehlererkennung mit geringerem Aufwand von Schaltung und Signalübertragung ermöglicht, indem bei einer Abweichung der Spannungen (U1, U2, U3, U4) innerhalb einer Gruppe (G1, G2) größer einer Maximalabweichung (DELTAU_max) ein Fehler eines der Sensorelemente (S1, S2, S3, S4) ausgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement, einem zweiten Sensorelement, einem dritten Sensorelement und einem vierten Sensorelement, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement als erste Gruppe in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement und das vierte Sensorelement als zweite Gruppe in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe jeweils etwa auf einer Linie und die Gruppen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, und die Spannungen über die Sensorelemente gemessen werden.

Sensoranordnungen zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes sind beispielsweise aus der US 4,668,914 sowie der US 2002/0021124 bekannt. Die Sensoren sind vertikale oder horizontale Hallelemente.

Aus der EP 1 182 461 ist eine Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit vier Sensorelementen bekannt, die paarweise als Gruppen in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe jeweils etwa auf einer Linie und die Gruppen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

Bei derartigen Sensoranordnungen werden üblicherweise zwei ASICs verwendet, die jeweils ein Hallelement, eine Auswerteeinheit bzw Signalaufbereitung, eine Ausgangsstufe sowie Hilfseinrichtungen wie Spannungsstabilisierung oder Watchdog enthalten. Von diesen zwei Ausgangstufen dieser zwei ASICs werden die zwei Ausgangsignale getrennt über zwei Leitungen zum Steuergerät geführt. Es ist ebenso ein Konzept mit reduzierter Redundanz bekannt, bei dem ein ASIC verwendet wird, der ein Hallelement, eine Auswerteeinheit bzw Signalaufbereitung, zwei Ausgangsstufen sowie Hilfseinrichtungen wie Spannungsstabilisierung oder Watchdog enthält. Von diesen zwei Ausgangstufen des einen ASICs werden die zwei Ausgangsignale getrennt über zwei Leitungen zu einem nachgeordneten Steuergerät geführt.

Probleme des Standes der Technik

Fehler in den einzelnen Sensorelementen sind in der Sensoranordnung derzeit nicht erkennbar. Eine Fehlererkennung bzw. Auswertung kann nur im Steuergerät erfolgen

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltung anzugeben, die eine Fehlererkennung bei geringerem Aufwand von Schaltung und Signalübertragung ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement, einem zweiten Sensorelement, einem dritten Sensorelement und einem vierten Sensorelement, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement als erste Gruppe in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement und das vierte Sensorelement als zweite Gruppe in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe jeweils etwa auf einer Linie und die Gruppen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, und die Spannungen über die Sensorelemente gemessen werden, wobei bei einer Abweichung der Spannungen innerhalb einer Gruppe gößer einer Maximalabweichung ein Fehler eines der Sensorelemente ausgegeben wird. Die Sensorelemente sind vorzugsweise Hallememente. Die Anzahl der Sensorelemente kann auch höher sein, insbesondere kann jedes einzelne Sensorelement durch mehrere Sensorelmente ersetzt sein, die Sensorelemente können also gedanklich geteilt sein.

Die Bezugslinie kann im Prinzip beliebig festgelegt werden, ist aber zwecks einfacher Rechnung vorteilhaft die Linie, auf der die Gruppe der Sensorelemente liegt, deren Spannungswerte bei der Berechnung des Arcustangens im Nenner stehen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Spannung über die erste Gruppe und eine Spannung über die zweite Gruppe gemessen wird und ein erster Relativwinkel des Magnetfeldes gegenüber einer Bezugslinie aus dem Arcustangens beider Spannungen bestimmt wird. Die Bezugslinie kann im Prinzip beliebig festgelegt werden, ist aber zwecks einfacher Rechnung vorteilhaft die Linie, auf der die Gruppe der Sensorelemente liegt, deren Spannungswerte bei der Berechnung des Arcustangens im Nenner stehen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Spannung über das erste Sensorelement und eine Spannung über das dritte Sensorelement gemessen wird und ein zweiter Relativwinkel gegenüber der Bezugslinie aus dem Arcustangens beider Spannungen bestimmt wird, der mit dem ersten Relativwinkel verglichen wird, wobei bei einer Abweichung der Relativwinkel größer als einem Maximalwert ein Fehler eines Sensorelementes ausgegeben wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Spannung über das zweite Sensorelement und eine Spannung über das vierte Sensorelement gemessen wird und ein dritter Relativwinkel gegenüber der Bezugslinie aus dem Arcustangens beider Spannungen bestimmt wird, der mit dem ersten und zweiten Relativwinkel verglichen wird, wobei bei einer Abweichung der Relativwinkel größer als einem Maximalwert ein Fehler eines Sensorelementes ausgegeben wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem fehlerhaften Sensorelement der zweite Relativwinkel und/oder der erste Relativwinkel an eine Ausgangsstufe übertragen wird.

Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Schaltung zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement, einem zweiten Sensorelement, einem dritten Sensorelement und einem vierten Sensorelement, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement als erste Gruppe in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement und das vierte Sensorelement als zweite Gruppe in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe jeweils etwa auf einer Linie und die Gruppen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, und die Schaltung Mittel zur Messung der Spannungen über die Sensorelemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Spannungen innerhalb einer Gruppe gößer einer Maximalabweichung ein Fehler eines der Sensorelemente ausgegeben werden kann.

In einer Weiterbildung der Schaltung ist vorgesehen, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung über das erste Sensorelement und einer Spannung über das dritte Sensorelement sowie Mittel zur Bestimmung des ersten Relativwinkels aus dem Arcustangens beider Spannungen umfasst.

In einer Weiterbildung der Schaltung ist vorgesehen, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung über das erste Sensorelement und eine Spannung über das dritte Sensorelement sowie Mittel zur Bestimmung des zweiten Relativwinkels aus dem Arcustangens beider Spannungen umfasst

In einer Weiterbildung der Schaltung ist vorgesehen, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung über das zweite Sensorelement und einer Spannung über das vierte Sensorelement sowie Mittel zur Bestimmung des dritten Relativwinkels aus dem Arcustangens beider Spannungen umfasst

In einer Weiterbildung der Schaltung ist vorgesehen, dass diese Mittel zum Vergleich der Relativwinkel umfasst.

Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsskizze mit einer Sensoranordnung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsskizze mit einer Sensoranordnung.
1 zeigt eine Schaltungsskizze mit einer Sensoranordnung, die vier Sensoren für die Detektion der Richtung eines Magnetfeldes umfasst. Dabei sind vier Sensorelemente S1, S2, S3 und S4 so angeordnet, dass diese paarweise als Zweiergruppen auf einer Linie angeordnet sind und die Gruppen in einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet sind. Die Sensoren S1 und S2 sind in gleicher Orientierung auf einer Linie 1 angeordnet, die Sensorelemente S3 und S4 sind entsprechend auf einer Linie 2 angeordnet. Die Linien 1 und 2 stehen in einem Winkel von 90° zueinander. Selbstverständlich ist die Anordnung auf einer Linie sowie der Winkel von 90° mit üblichen Fertigungstoleranzen behaftet zu verstehen.
Die Sensorelemente können z.B. so genannte Hallelemente sein, dabei kann es sich um so genannte horizontale Hallelemente handeln, die empfindlich auf die senkrecht auf die Chipoberfläche auftretende Komponente eines Magnetfeldes sind. Ebenso sind hier aber auch andere Sensoren denkbar, die ein Signal abhängig von Stärke und Richtung eines Magnetfeldes abgeben können.
Die jeweiligen Ausgänge der Sensorelemente S1 bis S4 sind mit Eingängen einer Verstärkerschaltung 4 verbunden. Jeweils ein Eingang eines Sensorelementes S1 bis S4 ist mit einem mit Masse verbundenen Knotenpunkt 3 verbunden. Die beiden anderen Ausgän ge der Sensorelemente S1 bzw. S2 sind jeweils auf einen Eingang eines Addierers gelegt. In 1 ist der Addierer analog der Spannung, die an beiden Eingängen anliegt, bezeichnet, hier also E12 für den Addierer, der die Spannung U12 über beide Sensorelemente S1 und S2 misst. Am Ausgang des Addierers E12 liegt die Spannung U12 an. Entsprechend sind die beiden Ausgänge der Sensorelemente S3 und S4 an einen Addierer E34 mit der Ausgangsspannung U34 gelegt. Zusätzlich sind jeweils die einzelnen Ausgänge der Sensorelemente S1 bis S4 auf einen Eingang eines Addierers E1 bis E4 gelegt, wobei der andere Eingang jeweils mit Masse verbunden ist, so dass am Ausgang dieser Addierer jeweils die Spannung U1, U2, U3 bzw. U4 anliegen.
Die an den Ausgängen der Addierer E1, E2, E3, E4, E12 und E34 anliegenden Spannungen U1, U2, U3, U4, U12 sowie U34 repräsentieren jeweils die an den Sensorelementen anliegenden Spannungen. Die Spannung U1 bis U4 repräsentieren dabei jeweils die Spannungen an den Sensorelementen S1 bis S4 gegenüber Masse, die Spannungen U12 bzw. U34 repräsentieren die über die jeweiligen Gruppen G1 bestehend aus den Sensorelementen S1 und S2 bzw. G2 bestehend aus den Sensorelementen S3 und S4 anliegenden Spannungen.
Die an der Verstärkerschaltung 4 anliegenden Spannungen werden mittels eines Multiplexers und Komparators 5 gemultiplext und miteinander verglichen. Die Spannungen U1 und U2 sowie U3 und U4 werden jeweils paarweise untereinander auf Gleichheit abgesehen von allgemeinen Toleranzeinflüssen geprüft. Je nach Anordnung addieren sich die Spannungen oder heben sich auf. Da das Ausgangssignal bei jedem Sensorelement sinusförmig vom Winkel der Induktion abhängt, ergibt sich durch die Verdrehung des Magnetfeldes ein Sinussignal U1(α') = U2(α'') = ½·U12(α) = K·sin(α) und ein Kosinussignal U3(α') = U4(α'') = ½·U34(α) = k·cos(α). Durch diese eindeutige Beziehung kann das defekte Sensorelement ausfindig gemacht werden. Der Multiplexer 5 ist verbunden mit einer Auswerteeinheit 6. Diese berechnet wie nachfolgend dargestellt den Arcustangens aus verschiedenen Spannungskombinationen. Die Auswerte-Einheit 6 wiederum ist mit einem Demultiplexer/Komparator 7 verbunden, der mit zwei Endstufen 8a und 8b verbunden ist, welche ihre jeweiligen Ausgangssignale an ein nicht dargestelltes Steuergerät weitergeben. Die Ausgänge der Endstufen 8a und 8b werden an den Demultiplexer/Komparator 7 zurückgeführt und dort auf ihre Plausibilität hin überprüft.
Der Induktionswinkel α, mithin der Winkel des meist rotierenden Magnetfeldes gegenüber einer willkürlich gewählten Bezugslinie, dies ist durch den Winkel α in 1 angedeutet, ergibt sich auf einfache Weise aus dem Arcustangens der Spannungen an jeweils senkrecht aufeinander stehender Sensorelemente. So kann ein Winkel α' = Arcustangens (U1/U3) sowie ein weiterer Winkel α'' = Arcustangens (U2/U4) bestimmt werden. Die Prüfung auf Gleichheit kann sich auf die Signale nach den Eingangsverstärkern E1 bis E4 sowie E12 und E34 beziehen, mithin auf die Spannungen U1 bis U4 sowie U12 und U34 und kann beispielsweise durch den Multiplexer mit Komparator 5 durchgeführt werden. Ebenso kann sich die Prüfung aber auch auf die Ergebnisse der Arcustangensauswertungen der Zweiergruppen als Winkel α als auch auf die Ergebnisse Auswertung der Einzelelemente als Winkel α' oder α'' beziehen.
2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser wird auf den Knotenpunkt 3 verzichtet, des Weiteren werden im Unterschied zur Ausführungsbeispiel nach 1 nicht mehr die einzelnen Sensorelemente S1, S2, S3, S4 gegen Masse gemessen, statt dessen werden jeweils Spannungen über eines der Sensorelemente, hier U2 und U4 direkt gemessen und zusätzlich die Spannungen jeweils zwischen den in Serie geschalteten Sensorelementen, hier U12-0 und U34-0 gegen Masse gemessen. Die Bezeichnung der Eingänge erfolgt sinngemäß wie in
1, beispielsweise gehört E12-0 zur Spannung U12-0, und wurde deshalb in 2 unterdrückt.
Bei einem Fehler kann das Ausgangssignal des Winkels α auf die beiden Signale α' oder α'' umgeschaltet werden. Damit kann das übergeordnete Steuergerät erkennen, ob noch ein Ersatzbetrieb möglich ist oder ob von einem gänzlich ausgefallenen Sensor ausgegangen werden muss. Ebenso kann ein Weiterfahren im Notbetrieb bei ausfindig gemachter defekter Sensorelemente damit ermöglicht werden, dass nur das Signal aus den intakten Sensorelementen S1 bis S4, somit die Signale α' oder α'', zum Steuergerät übertragen werden.
Des Weiteren ist es möglich, die vier Sensorelemente zu teilen und am gleichen Ort 8, 12 oder 16 Sensorelemente einzusetzen. Damit ist eine Erhöhung der Redundanz der Messelemente mit hoher Auflösung und geringem Aufwand möglich.

Claims

Verfahren zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement (S1), einem zweiten Sensorelement (S2), einem dritten Sensorelement (S3) und einem vierten Sensorelement (S4), wobei das erste Sensorelement (S1) und das zweite Sensorelement (S2) als erste Gruppe (G1) in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement (S3) und das vierte Sensorelement (S4) als zweite Gruppe (G2) in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe (G1, G2) jeweils etwa auf einer Linie (2, 3) und die Gruppen (G1, G2) in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, und die Spannungen (U1, U2, U3, U4) über die Sensorelemente (S1, S2, S3, S4) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Spannungen (U1, U2, U3, U4) innerhalb einer Gruppe (G1, G2) gößer einer Maximalabweichung (ΔU_max) ein Fehler eines der Sensorelemente (S1, S2, S3, S4) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung (U12) über die erste Gruppe und eine Spannung (U34) über die zweite Gruppe gemessen wird und ein erster Relativwinkel (α) des Magnetfeldes gegenüber einer Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α = arctan (U12/U34)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung (U1) über das erste Sensorelement (S1) und eine Spannung (U3) über das dritte Sensorelement (S3) gemessen wird und ein zweiter Relativwinkel (α') gegenüber der Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α' = arctan (U1/U3) bestimmt wird, der mit dem ersten Relativwinkel (α) verglichen wird, wobei bei einer Abweichung der Relativwinkel (α', α) größer als einem Maximalwert ein Fehler eines Sensorelementes ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung (U2) über das zweite Sensorelement (S2) und eine Spannung (U4) über das vierte Sensorelement (S4) gemessen wird und ein dritter Relativwinkel (α'') gegenüber der Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α'' = arctan (U2/U4)) bestimmt wird, der mit dem ersten und zweiten Relativwinkel (α, α') verglichen wird, wobei bei einer Abweichung der Relativwinkel (α'', α', α) größer als einem Maximalwert (Δα_max) ein Fehler eines Sensorelementes ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem fehlerhaften Sensorelement der zweite Relativwinkel α'' und/oder der erste Relativwinkel α' an eine Ausgangsstufe übertragen wird.
Schaltung zur Bestimmung defekter Sensorelemente einer Sensoranordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes mit mindestens einem ersten Sensorelement (S1), einem zweiten Sensorelement (S2), einem dritten Sensorelement (S3) und einem vierten Sensorelement (S4), wobei das erste Sensorelement (S1) und das zweite Sensorelement (S2) als erste Gruppe (G1) in Reihe geschaltet sind und das dritte Sensorelement (S3) und das vierte Sensorelement (S4) als zweite Gruppe (G2) in Reihe geschaltet sind, wobei die Sensorelemente einer Gruppe jeweils etwa auf einer Linie und die Gruppen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, und die Schaltung Mittel zur Messung der Spannungen (U1, U2, U3, U4) über die Sensorelemente (S1, S2, S3, S4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Spannungen (U1, U2, U3, U4) innerhalb einer Gruppe (G1, G2) gößer einer Maximalabweichung (ΔU_max) ein Fehler eines der Sensorelemente (S1, S2, S3. S4) ausgegeben werden kann.
Schaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung (U1) über das erste Sensorelement und einer Spannung (U3) über das dritte Sensorelement (S3) sowie Mittel zur Bestimmung eines ersten Relativwinkels (α) des Magnetfeldes gegenüber einer Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α = arctan (U12/U34)) umfasst.
Schaltung einem der Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung (U1) über das erste Sensorelement (S1) und eine Spannung (U3) über das dritte Sensorelement (S3) sowie Mittel zur Bestimmung eines zweiten Relativwinkels (α') des Magnetfeldes gegenüber der Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α'' = arctan (U1/U3)) umfasst
Schaltung einem der Ansprüch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Messung einer Spannung (U2) über das zweite Sensorelement (S2) und einer Spannung (U4) über das vierte Sensorelement (S4) sowie Mittel zur Bestimmung eines dritten Relativwinkels (α'') des Magnetfeldes gegenüber einer Bezugslinie (2) aus dem Arcustangens beider Spannungen (α∍∍ = arctan (U2/U4)) umfasst
Schaltung einem der Ansprüch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zum vergleich der Relativwinkel (α'', α', α) umfasst.