DE19542086A1 - Einrichtung zur Fehlererkennung bei einem Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fehlererkennung bei einem Sensor, der ein im wesentlichen binäres Ausgangs­ signal abgibt, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Bestimmung der Lage eines Bauteiles oder einer Winkel­ stellung werden Sensoren eingesetzt, deren Ausgangssignal im wesentlichen zwei Zustände annehmen kann, nämlich einen Zu­ stand, bei dem das Signal "High" ist, und einem Zustand, bei dem es "Low" ist.

Solche Sensoren sind beispielsweise Hall-Sensoren bzw. Hall-Schalter, die bewegbare Teile abtasten, an deren Ober­ fläche sich beispielsweise charakteristische Magnetstruktu­ ren befinden. Je nachdem ob ein Nordpol oder ein Südpol dem Hall-Element gegenübersteht, ist das Ausgangssignal des Sen­ sors "High" oder "Low".

Die Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise von integrierten Hall-Effekt-Sensoren ist beispielsweise der Zeitschrift Elektronic Industry 7-1995 zu entnehmen. In die­ ser Druckschrift ist ein Artikel von P. Schieffer mit der Bezeichnung "Integrierte Hall-Effekt-Sensoren zur Positions- und Drehzahlerkennung" abgedruckt, in dem unter anderem beschrieben wird, wie ein Hall-Sensor beim Annähern eines Südpols eines Magneten umschaltet. Der Aufbau dieses Hall-Sensors ist so, daß ein Chip, der den Hall-IC trägt mit einem ersten Anschluß an Versorgungsspannung liegt und mit einem zweiten Anschluß über einen Widerstand auf Masse geführt wird. An diesem zweiten Anschluß läßt sich das Aus­ gangssignal des Hall-Sensors abgreifen. Ein weiterer Eingang des Hall-ICs ist über einen weiteren Widerstand ebenfalls auf Versorgungsspannung gelegt. Dieser Eingang führt auf einen Transistor, der Bestandteil des ICs ist und als soge­ nannte "Open-Collector-Ausgangsstufe" wirkt.

Bei der bereits erwähnten Annäherung eines Südpoles eines Magneten überschreitet das Signal der Hall-Sonde eine Ein­ schaltschwelle und der Open-Collector-Ausgang wird durchge­ schaltet, das am Ausgang des Hall-ICs liegende Signal nimmt einen "Low" Zustand an. Wird der Magnet wieder vom IC ent­ fernt, wird beim Unterschreiten des der Ausgangsschwelle entsprechenden Magnetfeldes der Open-Collector-Ausgang wie­ der hochohmig und das Ausgangssignal des Hall-Sensors wech­ selt in den "High"-Zustand.

Mit solchen Hall-Sensoren lassen sich nicht nur Nord- oder Südpole erkennen, sondern es ist auch möglich, beispielswei­ se eine ferromagnetische Blende zu erfassen, die zwischen dem Hall-IC und einem gegenüberliegenden Magneten durch­ läuft. Generell sind solche Hall-Effekt-Sensoren bei einer Vielzahl von möglichen Anwendungen einsetzbar. Ein Beispiel für den Einsatz von mehreren Hall-Effekt-Sensoren wird auch in der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 95/00343 ange­ geben. Die dort beschriebene Lösung zeigt auf, wie der Lenk­ winkel eines Fahrzeugs mit Hilfe einer Anzahl von Hall-Sensoren ermittelt wird. Dieses bekannte System zur Lenkwinkelerkennung besteht aus einem Feinsystem mit einer Scheibe, die an ihrem Umfang innerhalb einer Spur Aussparun­ gen aufweist. Diese drehbare Scheibe wird mit Hilfe mehre­ rer, in gleichmäßigen Winkelabständen angeordneter Hall-Sensoren abgetastet, im Zusammenwirken von Scheibe und Sensoren entsteht ein Signal, das einen Code wiedergibt, der eine Absolutwerterkennung innerhalb einer Lenkradumdrehung ermöglicht. Die Scheibe besteht dabei beispielsweise aus magnetisch gut leitendem Blech und ist fest mit der Lenk­ welle verbunden. Die Aussparungen in der sich mit der Lenk­ welle drehenden Scheibe werden mit Hilfe von neun am Umfang der Scheibe angeordneten Magnet-Hall-Schranken abgetastet, diese Hall-Schranken sind Bestandteil eines Hall-Sensors, an dessen Ausgang eine logische 1 ("High") entsteht, wenn zwi­ schen Magnet und Hall-Schranke kein Blech ist und eine logische 0 ("Low") entsteht, wenn der Magnetfluß durch ein Blechsegment der Scheibe unterbrochen ist.

Da bei einem solchen System für jede Winkelstellung inner­ halb von 360° ein eindeutiger Code erhalten wird, kann sofort nach dem Einschalten eine Aussage über die Winkel­ stellung getroffen werden, sofern sichergestellt wird, daß alle Hall-Sensoren einwandfrei arbeiten. Wird zusätzlich noch ein Grobsystem eingesetzt, mit einer codierten Scheibe, die sich mittels eines Getriebes um 1 : 4 untersetzt dreht und mit zugehörigen Sensoren abgetastet wird, kann der erfaßbare Winkelbereich auf 720° ausgedehnt werden.

Falls der aus der PCT/DE 95/00343 bekannte Lenkradwinkelsen­ sor im Zusammenhang mit einer Fahrdynamikregelung eingesetzt werden soll, wird eine Eigensicherheit verlangt, diese For­ derung bedeutet, daß alle Hall-Sensoren des Systems entweder zuverlässig funktionieren müssen oder daß ein Ausfall eines Sensors möglichst schnell und zuverlässig erkannt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Fehlererkennung bei einem Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sofort nach dem Einschalten ein Ausfall des Sensors sicher und zuverlässig erkannt wird, so daß verhin­ dert wird, daß ein fehlerhaftes Ausgangssignal weiter verar­ beitet wird. Erzielt wird dieser Vorteil, indem der Open- Collector-Anschluß des Hall-Sensors oder der Hall-Sensoren als zusätzlicher Anschluß nach außen geführt wird, so daß ein Hall-Sensor erhalten wird, der einen Versorgungsspan­ nungsanschluß, einen Anschluß zum Open-Collector sowie einen Masse Anschluß und einen getrennten Anschluß zum Abgriff der Signalspannung aufweist. Es wird dann den ersten drei An­ schlüssen eine in geeigneter Weise modulierte Versorgungs­ spannung zugeführt, die jeweils entweder den Zustand "High" oder den Zustand "Low" aufweist. Je nach Schaltzustand des Ausgangssignales, also je nachdem ob das Hall-Element einem Magneten bzw. einer Blende oder einer Lücke gegenübersteht, kann das Ausgangssignal auf Leitungsbruch und Kurzschluß überprüft werden. Dabei wird letztendlich überprüft, ob bei einer temporären Modulation der drei Versorgungsspannungen sich die Signalspannung in der zu erwartenden Weise verhält oder nicht. Im letzteren Fall ist eine Fehlfunktion erkannt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 den Aufbau eines Sensors, beispielsweise eines Hall-Elements einschließlich der zuge­ hörigen Auswerteschaltung. In Fig. 2 sind die vorgenommenen Versorgungsspannungs Modulationen sowie die sich einstellen­ den Signalspannungen über der Zeit aufgetragen.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein Beispiel für einen Sensor dargestellt, dessen Aufbau die erfindungsgemäße Fehlererkennung ermög­ licht. Dabei besteht das Sensorelement S aus einer Brücken­ schaltung von vier Widerständen R1, R2, R3, R4. Das Sensor­ element S hat einen Anschluß A1, über den üblicherweise die Versorgungsspannung UV zugeführt wird.

Ein weiterer Anschluß A3 des Sensorelements führt zu einer Klemme K3, über die die Spannung U3 zuführbar ist. Ein wei­ terer Anschluß des Sensorelements S, an dem die Signalspan­ nung US1 abgreifbar ist, führt auf einen Operationsverstär­ ker, in dem die vom Sensorelement gelieferte Signalspan­ nung US1 in geeigneter Weise aufbereitet und verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist üblicher­ weise bereits ein binäres Signal, das entweder "High" oder "Low" ist. Dieses Signal wird zur Basis des Transistors T geführt, der zusammen mit dem Widerstand RC den Open-Col­ lector-Ausgang der Auswerteschaltung bildet. Die Verschal­ tung des Transistors ist so, daß der Emitter mit dem An­ schluß A3 verbunden ist und der Collector direkt zu einem Anschluß A4 führt, an dem die aufbereitete Signalspannung US abgreifbar ist. Weiterhin ist der Collector des Transistors T über den Widerstand RC zum Anschluß A2 geführt. Die be­ schriebene Anordnung ist beispielsweise in einem integrier­ ten Schaltkreis IC integriert.

Mit der in der Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung läßt sich eine Fehlererkennung, beispielsweise die Erkennung eines Leitungsbruchs oder eines Kurzschlusses durchführen. Dazu werden die an den Anschlüssen A1, A2, A3 liegenden Spannungen U1, U2, U3 der Auswerteeinrichtung A zugeführt, wobei die Spannungszufuhr über Schaltmittel S1, S2, und S3 in wählbarer Weise unterbrochen werden kann. Ein möglicher zeitlicher Verlauf der Spannungen U1, U2, U3 in der Auswer­ teeinrichtung A ist in Fig. 2 dargestellt. Außer den zuge­ führten Spannungen U1, U2, U3 sind in Fig. 2 auch noch die Spannungen US0 und US1 über der Zeit t dargestellt. US0 be­ zeichnet dabei den Spannungsverlauf am Ausgang des Hall-Sensors beim Schaltzustand 0 und US1 bezeichnet die Spannung am Ausgang 4 beim Schaltzustand 1, also bei dem Zu­ stand, bei dem dem Sensorelement S kein Magnet bzw. kein ferromagnetisches Material zugeordnet ist.

Die Auswertung des Verlaufs der Spannung US an Klemme A4 er­ folgt in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung A. Dies kann ein einfacher Spannungsmesser sein, bei der Auswerte­ einrichtung A kann es sich auch um einen Mikrocontroller oder um das Steuergerät einer Brennkraftmaschine handeln. In jedem Fall laufen in der Auswerteeinrichtung A Überprüfungen ab, ob sich die Spannungen US0 bzw. US1 in der in Fig. 2 aufgetragenen Weise verhalten, sofern die ebenfalls in Fig. 2 aufgezeigten Spannungsmodulationen durch Öffnen bzw. Schließen der Schaltmittel S1, S2, S3 durchgeführt werden. Weshalb die Spannungsverläufe sich in der in Fig. 2 darge­ stellten Weise verhalten müssen, soll im Folgenden kurz skizziert werden:
Im mit 1 bezeichneten Zeitintervall sind die Spannungen U1 und U2 High (1) die Spannung U3 ist Low (0). Befindet sich das Sensorelement im Schaltzustand 0, ist die Spannung US am Anschluß A4 bei korrekter Funktionsweise Low (0). Befindet sich dagegen das Sensorelement im Schaltzustand 1 muß am Ausgang A4 die Spannung US "High" (1) sein. Im Zeitinter­ vall 1 ist die übliche Spannungsversorgung dargestellt. Die Versorgungsspannung UV = U1 für das Sensorelement S sowie die Spannung am Open-Collector ist also "High", die Spannung am Anschluß A3 gleich 0, so daß der Sensor das zu erwartende Signal 0 oder 1 je nach Schaltzustand abgeben muß.

Im Zeitintervall 2 wird die eigentliche Versorgungsspan­ nung U1 abgeschaltet, während die Spannungen U2 und U3 ge­ genüber dem Zeitintervall 1 unverändert bleiben. In diesem Fall liegt der Anschluß A4 auf einem Spannungspegel, der "High" (1) ist, denn der Transistor T sperrt und die Span­ nung U2 gelangt über den Widerstand RC an den Anschluß A4. Im Schaltzustand 1 liegt an der Basis des Transistors T und am Collector des Transistors T jeweils ein Spannungsniveau "High", so daß auch am Anschluß A4 Spannung auf "High" liegt.

Im Zeitintervall 3 wird dem Anschluß A3 eine Spannung zuge­ führt, die "High" (1) ist. Da U1 "Low" und U2 "High" ist muß die Spannung US am Ausgang A4 "High" sein unabhängig davon, ob der Schaltzustand 0 oder 1 vorliegt.

In den übrigen Zeitintervallen 5, 6, 7, 8 wird beim Übergang von einem Intervall zum nächsten ebenfalls jeweils eine der Spannungen U1, U2, U3 verändert, also von "High" nach "Low" oder umgekehrt geschaltet. Es müssen sich dann die unter US0 bzw. US1 dargestellten Änderungen ergeben. Tritt wenigstens eine der zu erwartenden Änderungen der Spannungen US0 bzw. US1 nicht ein, wird ein Fehler erkannt.

Das Intervall 9 entspricht wieder dem Intervall 1. Späte­ stens nach Durchlaufen der 8 Zeitintervalle von 1 bis 9 muß eine der zu erwartenden Signaländerungen für US0 oder US1 nicht aufgetreten sein, falls irgendein Fehler aufgetreten ist. Sind dagegen alle Signaländerungen von US0 bzw. US1 tatsächlich aufgetreten, ist sichergestellt, daß kein Fehler vorliegt.

Die in Fig. 2 dargestellte temporäre Modulation der Versor­ gungsspannungen U1, U2, U3 kann beispielsweise bei jeder neuen Inbetriebnahme des Sensors abgearbeitet werden. Es ist auch möglich, nach vorgebbaren Zeiten bzw. vorgebbaren Be­ triebsdauern eine solche temporäre Spannungsmodulation zur Fehlererkennung durchzuführen. Bei jedem der durchgeführten Testläufe mit Spannungsmodulation ist eine neue Fehlererken­ nung durchführbar.

Die vorgeschlagene Fehlererkennung ist besonders im Zusam­ menhang mit Hall-Elementen einsetzbar, jedoch ist sie auch im Zusammenhang mit anderen Sensoren, die ein im wesentli­ chen binäres Ausgangssignal liefern verwendbar, wobei we­ sentlich ist, daß die zu überwachenden Sensoren mehrere An­ schlüsse aufweisen, über die temporäre Modulationen der zu­ geführten Spannungen möglich sind.

Die vorgeschlagene Einrichtung zur Fehlererkennung bei einem Sensor kann beispielsweise bei einem Lenkwinkelsensor einge­ setzt werden, wie er aus der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 95/00343 bekannt ist. Es können dann sowohl die Sen­ soren (z. B. Hall-Sensoren) des Feinsystems als auch die des Grobsystems überwacht werden, wobei die Sensoren dann ebenfalls im Open-Collector-Betrieb zu betreiben sind. Ein Fehler eines Sensors kann damit sofort erkannt werden.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Fehlererkennung bei einem Sensor, der ein im wesentlichen binäres Ausgangssignal abgibt und Anschlüsse zur Spannungsversorgung und zur Verbindung mit Masse auf­ weist, mit Signalaufbereitungsmittel, die das im wesentli­ chen binäre Ausgangssignal der Basis einer Open-Collector-Ausgangsstufe zuführen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Open-Collector-Ausgangsstufe einen Transistor (T) um­ faßt, dessen Emitter mit dem Sensorelement (S) und dem An­ schluß (A3) verbunden ist und dessen Collector mit dem An­ schluß (A4), an dem die Signalspannung abgreifbar ist, ver­ bunden ist und über einen Widerstand (RC) mit einem weiteren Anschluß (A2) in Verbindung steht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorelement (S), die Aufbereitungsschaltungs­ mittel, die wenigstens einen Operationsverstärker (OP) um­ fassen, der Transistor (T) und der Widerstand (RC) auf einem integrierten Schaltkreis (IC) integriert sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Signalspannung und die Fehlererkennung in einer weiteren Aufbereitungs­ schaltung (A) erfolgt, die den Eingängen (A1, A2, A3) des integrierten Schaltkreises (IC) die Spannungen (U1, U2, U3) zuführt und deren Reaktionen auf die Spannung (US) auswer­ tet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen (U1, U2, U3) die Zustände "High" (1) oder "Low" (0) annehmen können und der Spannungsverlauf in Zeit­ intervalle eingeteilt ist und eine Umschaltung von "High" zu "Low" bzw. "Low" zu "High" so erfolgt, daß innerhalb eines Zeitintervalles nur eine Umschaltung erfolgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spannungsverläufe von (U1, U2, U3) nach 8 Zeitperioden wiederholen.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensorelemente vorhanden sind, daß die Funktionsfähigkeit jedes dieser Sensorelemente durch temporäre Modulation der Versorgungsspannung überwacht wird, wobei die Modulation der Versorgungsspannungen (U1, U2, U3) entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Elemente Bestandteil eines Lenkwinkelsensors sind, der wenigstens eine codierte Scheibe umfaßt, die fest mit der Lenkwelle verbunden ist und an ihrer Oberfläche eine Struktur aufweist, die in Verbindung mit den zugeordneten Sensorelementen einen Absolutcode bildet, der für jede Winkelstellung eindeutig ist.