DE102005014865A1

DE102005014865A1 - Digitale Signalverarbeitungseinheit für einen Magnetometer ,

Info

Publication number: DE102005014865A1
Application number: DE102005014865A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey L. Berkley Viola
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2005-11-03
Also published as: US20050218891A1; US7098658B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fluxgate-Magnetometer (10) mit den folgenden Merkmalen: ein Fluxgate (16) und ein mit dem Fluxgate (16) verbundener Digitalprozessor (12), wobei der Digitalprozessor (12) einen Analog-Digital-Wandler (80) umfasst, der zur Digitalisierung eines Rück-EMF-Signals des Fluxgates (16) konfiguriert ist, dergestalt, dass ein digitalisiertes Rück-EMF-Signal generiert wird, wobei der Digitalprozessor (12) außerdem einen ersten Signalgenerator umfasst, der zur Erzeugung eines Fluxgate-Ansteuersignals konfiguriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Signalformung bei Magnetometerschaltungen und insbesondere auf ein Sensorsystem mit einem Fluxgate-Magnetometer und einem Digitalprozessor.

Fluxgate-Magnetometer sind in der technischen Anwendung bekannt und werden in Implementierungen magnetoelastischer Drehmomentwandler eingesetzt. Solche Wandler werden in vielen Anwendungen verwendet, unter anderem zur Getriebesteuerungsmessung im Antriebsstrang und für Eingänge elektrischer Servolenkungen. Das Rück-EMF-Signal des Fluxgate-Magnetometers wird herkömmlicherweise analog verarbeitet. Hierfür werden große, aus zahlreichen analogen Geräten konstruierte Schaltungen oder sehr teure analoge anwendungsspezifische IC-Chips (ASIC-Chips) verwendet. Aus den oben beschriebenen Gründen besteht Bedarf an verbesserten Lösungen für die Aufbereitung von Signalen von Fluxgate-Magnetometern.

Eine Implementierung der vorliegenden Erfindung erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen und umgeht die aufgeführten Nachteile und andere Einschränkungen herkömmlicher Systeme, indem ein Fluxgate-Magnetometer bereitgestellt wird, das ein Fluxgate und einen Digitalprozessor umfasst. Der Digitalprozessor umfasst einen zur Digitalisierung des Rück-EMF-Signals des Fluxgates eingesetzten Analog-Digital-Wandler und einen Signalgenerator, der das Fluxgate-Treibsignal generiert. Darüber hinaus wird eine Stromquellenschaltung bereitgestellt, die das Fluxgate-Treibsignal vom Signalgenerator empfängt und ein stromverstärktes Treibersignal an das Flux gate überträgt, mit dem das Fluxgate gesättigt und entsättigt werden kann. Bei dem Signalgenerator kann es sich um einen oder mehrere Pulsbreitenmodulatoren handeln, die gemeinsam mit einem Spannungsformer und -verstärker verwendet werden, um ein Dreieckwellen-Stromsignal zur Erregung des Fluxgates zu erzeugen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Digitalprozessor so konfiguriert ist, dass er das Vorzeichen des Rück-EMF-Signals mit einer Frequenz umkehrt, die der doppelten Frequenz des Fluxgate-Treibsignals entspricht. Auf diese Weise wird nur die zweite Harmonische des Rück-EMF-Signals erfasst. Anschließend integriert der Digitalprozessor das Rück-EMF-Signal, um ein Signal zu generieren, das dem physikalischen Eingang des Fluxgate-Magnetometers entspricht. Das Ergebnis der Integration wird verwendet, um das Fluxgate wieder auf null zu setzen. Im Digitalprozessor wird ein Erkennungsalgorithmus bereitgestellt, der eine Sättigungsbedingung des Integrators erkennt und bei Auftreten einer Sättigungsbedingung eine Rücksetzung durchführt. Um die Kompatibilität mit anderen Sensortypen zu erhöhen, kann durch Konvertierung ein analoges Ausgangssignal erzeugt werden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind für einen Fachmann aus der folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen ersichtlich.
1 zeigt ein Sensorsystem mit einem Fluxgate-Magnetometer, einem Spannungsformer und einem Digitalprozessor; und
2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem Fluxgate und einem Digitalprozessor.
In 1 wird ein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnetes erfindungsgemäßes System dargestellt. Das System 10 umfasst einen Digitalprozessor 12, eine Stromquellenschaltung 14 und ein Fluxgate 16. Der Digitalprozessor 12 erzeugt ein zur Erregung des Fluxgates 16 konfiguriertes Fluxgate-Ansteuersignal 22. Das Fluxgate-Ansteuersignal 22 wird durch eine aus einem Widerstand 18 und einem Kondensator 20 gebildete RC-Kombination gefiltert. Bei dem Fluxgate-Ansteuersignal 22 handelt es sich vorzugsweise um ein Dreieckwellen-Stromsignal. Der Digitalprozessor kann jedoch auch ein Rechteckwellen-Spannungssignal generieren, das dann mit der Stromquellenschaltung 14 manipuliert wird, um das zur Erregung des Fluxgates 16 erforderliche Dreieckwellen-Stromsignal zu generieren. Die Stromquellenschaltung 14 überträgt ein stromverstärktes Ansteuersignal, mit dem das Fluxgate 16 gesättigt und entsättigt wird. Zur Messung des Rück-EMF-Signals durch das Fluxgate 16 ist der Digitalprozessor 12 über die Leitungen 24 und 26 mit dem Fluxgate 16 verbunden.
Im Beispiel eines magnetoelastischen Drehmomentwandlers oder Drehmomentsensors variiert das Rück-EMF des Fluxgates 16 in Abhängigkeit von dem auf den Sensor wirkenden Drehmoment. Der Digitalprozessor 12 empfängt das Rück-EMF-Signal über die Leitungen 24 und 26 und erzeugt ein digitales Rück-EMF-Signal, das die Rück-EMF-Messung repräsentiert. Der Prozessor 12 ist so konfiguriert, dass er die Polarität des digitalen Rück-EMF-Signals mit der doppelten Frequenz des Ansteuersignals 22 umkehrt. Auf diese Weise wird nur die zweite Oberwelle des Rück-EMF-Signals erfasst. Das digitale Rück-EMF-Signal wird dann im Prozessor 12 integriert, so dass ein Summensignal erzeugt wird. Das Summensignal kann vom Prozessor 12 verwendet werden, um die Modulation des als Nullschaltung des Fluxgates 16 eingesetzten Treibsignals 22 zu variieren. Im Beispiel des Drehmomentsensors repräsentiert das sich ergebende Summensignal das auf den Sensor wirkende Drehmoment.
In 2 wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt. Der Digitalprozessor 12 umfasst einen zur Erzeugung des Fluxgate-Ansteuersignals 32 eingesetzten Pulsbreitenmodulator 30. Digitalprozessoren mit Pulsbreitenmodulatoren für hohe oder niedrige Frequenzen sind vielfach verfügbar. Der Pulsbreitenmodulator 30 erzeugt gemeinsam mit dem Widerstand 34 und dem Kondensator 36 ein aufbereitetes Spannungssignal. Das bevorzugte aufbereitete Spannungssignal kann alternativ auch von einem Digital-Analog-Wandler oder einem anderen Signalgenerator generiert werden. Das Fluxgate-Ansteuersignal 32 wird von der Stromquellenschaltung 14 empfangen. Wie in 2 dargestellt, wird außerdem ein dem ersten Pulsbreitenmodulator entgegengerichteter zweiter Pulsbreitenmodulator 40 zur Sättigung und Entsättigung des Fluxgates 16 eingesetzt. Der Pulsbreitenmodulator 40 generiert gemeinsam mit dem Widerstand 42 und dem Kondensator 44 ein Fluxgate-Ansteuersignal 46 in Form eines aufbereiteten Spannungssignals, das von der Stromquellenschaltung 14 empfangen wird. Die stromliefernde Schaltung 14 verstärkt den zur Sättigung des Fluxgates 16 dienenden Strom. Die Verwendung einer Stromquellenschaltung 14 erlaubt es zur kann zur Erzeugung der Ansteuersignale 32 und 46 einen Niederspannungs-/Schwachstrom-Digitalprozessor einzusetzen und dennoch genügend Strom zur Sättigung und Entsättigung des Fluxgates 16 zur Verfügung zu stellen. Die Stromquellenschaltung 14 ist darüber hinaus so konfiguriert, dass sie selektiv den ersten Pulsbreitenmodulator 30 mit einer Seite des Fluxgates 16 verbindet und gleichzeitig den zweiten Pulsbreitenmodulator 40 mit der anderen Seite des Fluxgates 16 verbindet. Dies wird durch vier MOSFET-Transistoren 48, 50, 52 und 54 der Stromquellenschaltung 14 ermöglicht. Die Transistoren 48 und 52 sind P-Kanal-MOSFETs, und bei den Transistoren 50 und 54 handelt es sich um N-Kanal-MOSFETs. Die Transistoren 48 und 50 sind mit dem ersten Pulsbreitenmodulator 30 verbunden und die Transistoren 52 und 54 sind mit dem zweiten Pulsbreitenmodulator 40 verbunden. Der erste Pulsbreitenmodulator 30 ist elektrisch mit dem Gate des Transistors 48 und mit dem Gate des Transistors 50 verbunden. Der zweite Pulsbreitenmodulator 40 ist elektrisch mit dem Gate des Transistors 52 und mit dem Gate des Transistors 54 verbunden. Der Drain des Transistors 52 ist elektrisch mit einer Stromquelle 53 verbunden, und die Source des Transistors 52 ist mit dem Fluxgate 16 verbunden, dergestalt dass der Transistor 52 den an das Fluxgate 16 geleiteten Strom bei steigender aufbereiteter Spannung erhöht, um das Fluxgate 16 zu sättigen. Die Source des Transistors 50 ist geerdet, so dass der Transistor 50 einen durch das Fluxgate 16 laufenden Erdungspfad bereitstellt, wenn der Transistor 52 Strom durch das Fluxgate 16 leitet.
Der Drain des Transistors 48 wiederum ist elektrische mit einer Stromquelle 51 verbunden, und die Source des Transistors 48 ist mit dem Fluxgate 16 verbunden, so dass der Transistor 48 den an das Fluxgate 16 geleiteten Strom bei steigender aufbereiteter Spannung erhöht, um das Fluxgate 16 zu sättigen. Die Source des Transistors 50 ist geerdet, so dass der Transistor 50 einen durch das Fluxgate 16 laufenden Erdungs-Pfad bereitstellt, wenn der Transistor 48 Strom durch das Fluxgate 16 leitet.
Wie mit den Bezugszeichen 58 und 56 dargestellt wird, kann des Weiteren eine Drossel zwischen die Transistoren und das Fluxgate 16 geschaltet werden, um die Änderungsrate des über das Fluxgate 16 fließenden Stroms zu verlangsamen. Eine Drossel ist ein um einen Magnetring angeordneten Draht, der dazu vorgesehen ist, die Änderungsgeschwindigkeit des Stromflusses zu begrenzen. Außerdem sind an den Enden des Fluxgates 16 Widerstände 62 und 60 angeordnet, mit denen der über das Fluxgate 16 fließende Strom begrenzt wird. Das Fluxgate 16 weist eine erste Spule 66 und eine zweite Spule 64 auf, es kann jedoch auch nur eine Spule verwendet werden. Das Fluxgate 16 weist außerdem einen angrenzend an die erste und die zweite Spule 66 und 64 angeordndeten Magnetstab 68 auf. Wenn ein Drehmoment auf den Magnetstab 68 wirkt, ändert sich die magnetische Flussdichte in den Zonen 72 und 74 proportional zum angelegten Drehmoment. Diese magnetische Flussdichte erzeugt ein Rück-EMF-Signal, das über die Leitungen 26 und 24 gemessen werden kann. Der Digitalprozessor 12 ist mit dem Fluxgate 16 verbunden und empfängt über die Leitungen 26 und 24 das Rück-EMF-Signal. Der Digitalprozessor 12 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 80, der die über die Leitungen 24 und 26 empfangenden Signale digitalisiert. Der Digitalprozessor 12 subtrahiert diese Werte voneinander und erzeugt damit ein digitales Rück-EMF-Signal. Das Vorzeichen des digitalen Rück-EMF-Signals wird mit einer Frequenz umgekehrt, die der doppelten Frequenz des Fluxgate-Ansteuersignals entspricht. Auf diese Weise wird nur die zweite Harmonische des Rück-EMF-Signals erfasst. Durch kontinuierliches Integrieren des erzeugten Differenzsignals wird ein Summensignal generiert, wie durch Block 82 gekennzeichnet wird. Bei einem Verfahren zur Berechnung des Summensignals wird eine Riemannsche Summenberechnung durchgeführt. Das Summensignal repräsentiert die Stärke des auf den Magnetstab 68 wirkenden Drehmoments. Wie durch Block 86 gekennzeichnet, wird der integrierte Datensatz verarbeitet und dazu verwendet, die Modulation der Pulsbreitenmodulatoren 30 und 40 einzustellen. Hier durch wird der Regelkreis geschlossen und der Ansteuerstrom modifiziert, dass das im Fluxgate 16 generierte Rück-EMF-Signal wieder auf null zurückgesetzt wird.
Der Digitalprozessor 12 umfasst außerdem einen Digital-Analog-Ausgang 84, so dass der Drehmomentsensor ein analoges Ausgangssignal generieren kann, wodurch eine Kompatibilität mit zahlreichen gängigen Sensoren erzielt wird. Alternativ können digitale Bussysteme als Ausgang verwendet werden (zum Beispiel seriell, CAN, PWM, 4–20 mA). Die meisten Digitalprozessoren arbeiten mit Schwachstrom-/Niederspannungs-Quellen, zum Beispiel mit einem mit dem Bezugszeichen 102 dargestellten Spannungseingang. Darüber hinaus kann eine Referenzspannung 108 für die Signalgeneratoren 30 und 40 unter Verwendung eines Spannungsteilers definiert werden, wie mit den Widerständen 104 und 108 in Verbindung mit der Spannungsquelle 110 dargestellt wird. Um die Kompatibilität mit gängigen Sensoren zu erhöhen, kann in einer Einzelimplementierung ein Spannungsverstärker bereitgestellt werden. Wie dargestellt, umfasst der Spannungsverstärker einen mit dem Digitalprozessor 12 und einem Operationsverstärker 90 verbundenen Widerstand 88. Darüber hinaus ist ein Rückkopplungswiderstand 94 zwischen dem Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers 90 angeordnet. Wie mit dem Bezugszeichen 92 dargestellt, wird der Operationsverstärker 90 mit einer Eingangsspannung versorgt, die in der Regel fünf Volt beträgt. Darüber hinaus kann der Ausgangsbereich skaliert werden, indem ein mittels der Widerstände 98 und 99 realisierter Spannungsteiler zusammen mit einer Spannungsquelle 100 eingesetzt wird, um eine Offsetspannung für den Operationsverstärker 90 bereitzustellen. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass in der obigen Darlegung Implementierungen der Prinzipien der Erfindung in illustrativer Weise beschrieben werden. Diese Beschreibung soll den Umfang oder die An-wendungen der Erfindung nicht beschränken, denn es können Modifikationen, Varia tionen und Änderungen daran vorgenommen werden, ohne den in den folgenden Ansprüchen definierten Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ein Fluxgate-Magnetometer (10) mit den folgenden Merkmalen: ein Fluxgate (16); ein mit dem Fluxgate (16) verbundener Digitalprozessor (12), wobei der Digitalprozessor (12) einen Analog-Digital-Wandler (80) umfasst, der zur Digitalisierung eines Rück-EMF-Signals des Fluxgates (16) konfiguriert ist, dergestalt dass ein digitalisiertes Rück-EMF-Signal generiert wird, und wobei der Digitalprozessor (12) außerdem einen ersten Signalgenerator umfasst, der zur Erzeugung eines Fluxgate-Ansteuersignals konfiguriert ist.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Signalgenerator ein Pulsbreitenmodulator (30, 40) ist.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 1, wobei der Analog-Digital-Wandler (80) mit einem ersten und zweiten Spulenausgang des Fluxgates (16) verbunden ist.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 1, wobei der Digitalprozessor (12) so konfiguriert ist, dass er das Vorzeichen des digitalisierten Rück-EMF-Signals mit einer Frequenz umkehrt, die der doppelten Frequenz des Fluxgate-Ansteuersignals entspricht.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 4, wobei der Digitalprozessor (12) so konfiguriert ist, dass er das digitalisierte Rück-EMF-Signal integriert, um ein Summensignal zu generieren.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 5, wobei der Digitalprozessor (12) so konfiguriert ist, dass er das digitalisierte Rück-EMF-Signal mittels einer riemannschen Summenberechnung integriert.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 5, wobei der Digitalprozessor so konfiguriert ist, dass er das vom Signalgenerator erzeugte Fluxgate-Ansteuersignal auf Grundlage des Summensignals moduliert.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 5, wobei der Digitalprozessor (12) einen Digital-Analog-Wandler (84) umfasst, der so konfiguriert ist, dass er das Summensignal in ein analoges Ausgangssignal umwandelt.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 8, wobei der Digital-Analog-Wandler elektrisch mit einem Signalverstärker (90) verbunden ist, der dazu eingerichtet ist, ein verstärktes analoges Ausgangssignals zu generieren.
Das Magnetometer (10) nach Anspruch 1, welches weiterhin eine Stromquellenschaltung (14) umfasst, die dazu eingerichtet ist, das Fluxgate-Ansteuersignals vom ersten Signalgenerator zu empfangen und ein stromverstärktes Ansteuersignal zur Ansteuerung des Fluxgates (16) zu erzeugen.