DE102005034859A1 - Meßanordnung zur Messung des Induktivitäts- und des Widerstandswertes eines induktiven Sensors - Google Patents

Meßanordnung zur Messung des Induktivitäts- und des Widerstandswertes eines induktiven Sensors Download PDF

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Abstract

Die Meßanordnung zur Messung des Induktivitäts- und Widerstandswertes eines induktiven Sensors (1) mißt Strom- und Spannungsverlauf am Sensor (1) und ermittelt durch gängige modellbasierte Identifikationsverfahren, wie z. B. Kalman-Filter, Least-Square-Schätzer, rekursive Least-Square-Schätzer, die beiden gesuchten Werte des Widerstandes (R¶S¶) und der Induktivität (L¶S¶). Der Sensor (1) wird dabei mit einer beliebigen, nichtkonstanten Spannung aus einer Spannungsquelle (2) angeregt. Vorzugsweise wird hierfür eine Rechteckspannung verwendet. Eine Auswerteeinheit (3) rechnet nach den genannten Identifikationsverfahren die gesuchten Werte.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Messung des Induktivitäts- und des Widerstandswertes eines induktiven Sensors.
  • Zur Messung mechanischer Bewegungen werden vielfach induktive Sensoren eingesetzt, bei denen sich die Induktivität abhängig von der Position eines ferromagnetischen Bauteiles ändert. Beispiele sind Raddrehzahlsensoren von Kraftfahrzeugen, Lage-, Drehwinkel- und Wegsensoren jeglicher Art. Induktivitätsbehaftete Sensoren haben stets auch einen ohmschen Widerstand, weshalb man für den Einsatz der Sensoren sowohl den Induktivitätswert als auch den Widerstandswert erfassen muß.
  • Aus der Meßtechnik ist es allgemein bekannt, zur Messung einer Induktivität einen Meßspannungsimpuls an die Induktivität zu legen und die Sprungantwort auszuwerten. Zur Bestimmung des ohmschen Widerstandes verwendet man dagegen eine stationäre Gleichspannung und mißt im eingeschwungenen Zustand den Strom oder bei bekanntem Strom den Spannungsabfall an dem Widerstand. Für die Messung muß man also zwei unterschiedliche Spannungen anwenden, was unterschiedliche Spannungsquellen, Umschalter und weitere Bauelemente erfordert, so daß eine solche Meßanordnung auf wendig und teuer ist und sich für den praktischen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen nicht eignet.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau die gesuchten Induktivitäts- und Widerstandswerte des Sensors liefert.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Bei der Meßanordnung nach der Erfindung benötigt man nur eine Spannungsquelle mit nichtkonstanter Spannung, vorzugsweise einer Rechteckspannung, und greift lediglich Strom- und Spannungsverlauf am Sensor ab und wertet diese mit einer modellbasierten Identifikationseinrichtung aus, die beispielsweise ein Schätzfilter, ein Kalman-Filter, ein Least-Square-Schätzer, ein rekursiver Least-Square-Schätzer oder ein Gauss-Markov-Schätzer ist, mit dem die beiden unbekannten Parameter von Widerstand und Induktivität bestimmt werden.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Prinzipschaltbild der Meßanordnung nach der Erfindung.
  • In 1 ist ein Sensor 1 gezeigt, der im Ersatzschaltbild eine Induktivität LS und einen Widerstand RS in Rei henschaltung aufweist. Dieser Sensor 1 ist über einen Vorwiderstand R1 an eine Spannungsquelle 2 angeschlossen, die eine nichtkonstante Spannung erzeugt. Diese Spannung ist im einfachsten Fall eine Rechteckspannung, wobei aber auch andere Spannungsverläufe verwendet werden können, wie z.B. Dirac-Impulse, Frequenzgemische oder sonstige Spannungsverläufe, die keine Gleichspannung sind.
  • Die Spannungsquelle 2 hat üblicherweise einen Innenwiderstand, der hier als parallel zur Spannungsquelle 2 liegender Widerstand R2 im Ersatzschaltbild dargestellt ist.
  • Der durch den Sensor 1 fließende Strom IS bewirkt an dem Vorwiderstand R1 einen Spannungsabfall U1 und beträgt IS = U1/R1.
  • Diese Spannung U1 wird einem Eingang einer Auswerteschaltung 3 zugeführt. Die am Sensor 1 abfallende Spannung US beträgt US = U2 – U1 und wird zwischen Masse und Sensoranschluß als Spannung U2 abgegriffen und ebenfalls der Auswerteschaltung 3 zugeführt, die auch einen Masseanschluß 4 aufweist. Bei geeigneter Dimensionierung bzw. Auslegung der Spannungsquelle 2 und des Vorwiderstandes R1 können die beiden Spannungen U1 und U2 direkt den Eingängen der Auswerteschaltung zugeführt werden, die als Mikrocontroller ausgebildet ist.
  • Diese Auswerteschaltung ermittelt nach einem modellbasierten Identifikationsverfahren die gesuchten Werte von LS und RS.
  • Die Modellgleichung für die Schaltung im Laplace-Bereich lautet:
    Figure 00040001
    mit den Meßgrößen IS (IS = U1/R1) und US (US = U2 – U1) und den zu identifizierenden Parametern LS und RS. Im Zeitbereich erhält man
    Figure 00040002
    als Identifikationsgleichung, wobei IS(t) und US(t) jeweils eine Reihe von n Meßwerten darstellt mit n > 2. Diese Identifikationsgleichung wird dann mit dem modellbasierten Identifikationsverfahren ausgewertet unter Anwendung der an sich bekannten Gleichungen von Schätzern, wie Kalman-Filter, Least-Square-Schätzer, recursive Least-Square-Schätzer oder Gauss-Markov-Schätzer.
  • Die mathematischen Gleichungen und die Theorie dieser Schätzer sind an sich bekannt (vgl. Methoden der Signalverarbeitung, Vorlesungsskript Prof. Dr. Ing. U. Kiencke, Wintersemester 2004/2005; Universität Karlsruhe (TH) Institut für Industrielle Informationstechnik, insbesondere Seiten 143 bis 192).
  • Das Zeitverhalten der Schätzer ist hier unkritisch, da sich die Meßwerte von LS und RS in Relation zur Geschwindigkeit der Auswertung langsamer ändern.
  • Da in heutigen Steuerungen, die Sensorsignale auswerten, ohnehin Mikrocontroller vorhanden sind, die auch die Aufgabe des Schätzers übernehmen können, wird durch die Erfindung eine sehr einfache Schaltung geschaffen, die mit extrem geringem Hardware-Aufwand die gesuchten Meßwerte liefert.

Claims (8)

  1. Maßanordnung zur Messung des Induktivitäts- und des Widerstandswertes eines induktiven Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) in einer Reihenschaltung mit einer Spannungsquelle und einem Vorwiderstand (R1) angeordnet ist, wobei die Wechselspannungsquelle (2) eine sich ändernde Spannung erzeugt und daß die an dem Sensor (1) abfallende Spannung (US) und die an dem Vorwiderstand (R1) abfallende Spannung (U1) einer Auswerteschaltung (3) zuführbar sind, die nach einem modellbasierten Identifikationsverfahren aus diesen beiden Spannungen (US, U1) den Induktivitätswert (LS) und den Widerstandswert (RS) des Sensors (1) ermittelt.
  2. Maßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (2) eine Rechteckspannung erzeugt.
  3. Maßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein Schätzfilter ist.
  4. Maßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein Kalman-Filter ist.
  5. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein Least-Square-Schätzer ist.
  6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein rekursiver Least-Square-Schätzer ist.
  7. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (3) ein Gauss-Markov-Schätzer ist.
  8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das modellbasierte Identifikationsverfahren nach folgender Gleichung arbeitet:
    Figure 00070001
    wobei IS(t) eine Reihe von n Meßwerten mit n > 2 des Stromes durch den Sensor (1) mit IS = U1/R1 und US(t) eine Reihe von n Meßwerten mit n > 2 der am Sensor (1) abfallenden Spannung mit US = U2 – U1 ist und RS und LS die gesuchten Werte für den Widerstandswert und den Induktivitätswert des Sensors (1) sind.
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