JP4248403B2 - 誘導センサ用評価回路 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の上位概念に記載の、軸の誘導センサ、例えば自動車の内燃機関のクランク軸の回転特性を捕捉検出するためのセンサ用評価回路に関する。
自動車の内燃機関の運転のために、クランク軸またはカム軸の回転特性(角度位置、角速度−回転数、加速度)を正確に知ることが必要である。これにより電気的な機関制御部はとりわけ、燃料噴射および点火に対する正確な時点を求めることができる。これらの量は例えば、自動変速機またはアンチロックシステムの制御のためにも重要である。
機関技術的な一層の開発の枠内においてこれらのデータは導き出される量を求めるためにますます使用されてきている。これに対する一例は、立法者によって要求される、排気ガスに係わってくる、点火停止の識別(misfire detection)である。1つのシリンダにおける燃焼過程(働き行程)の期間にクランク軸は加速され、このために角速度が高められることになる。例えば点火が欠落して燃焼が行われなければ、角速度もこのようには高められない。
従って角速度変化(加速度)を働き行程に関して観察すれば燃焼が正しく行われているかどうかを推測できる。その際、測定された量ではなくて、そこから導出される量を使用することが重要である。その際、導出される量の、測定される量に対する比が極端に小さい(≒0.001)ことで難しくなっている。
こういった条件のために測定システムの検出精度に要求が課せられるが、この要求は自動車への使用に適している公知のセンサによって殆どまだ充足することができない。
ロバストさ、汚れおよび高い温度に対する融合性に関する高い要求のために磁気センサが広範に使用されるようになった。磁気センサは、静磁場を生成しかつガイドするための強磁性材料(鉄)から成るヨークを備えている永久磁石から成っている。測定すべき軸に歯付きホイールが、歯が静磁場の中に入り込むように固定されている。可動の歯付きホイールの歯および溝の交互出現により磁場が変化し、これがセンサによって捕捉検出される。
しかし受動の磁気センサシステム(静磁場を生成しかつガイドするための鉄ヨークと、磁場の変化のために交番電圧信号が引き起こされるセンサコイルを備えている永久磁石)にはいくつかの欠点がある。
すなわち、センサの電圧信号の振幅は、歯付きホイールの歯がセンサの傍らを通過する繰り返し数に大体比例している(20〜6000Hzにおいて≒0.1V〜100V)。このような非常に広範な領域でセンサ信号の零点通過を正確に識別することは実現するのが非常に困難である。高価な、撚られかつシールドされた導線が必要である。センサ信号の小さな最小振幅のために面倒な信号ガイドが必要になり、しかも電磁誘導結合(EMC)のおそれが高くなる。
このセンサシステムではセンサまたは導線に欠陥があると非常に制限された診断能力しか発揮できない。大きな振幅ダイナミック特性のために、しきい値識別による断線の簡単な識別が可能ではなくなる。
更に、センサ信号の振幅は永久磁石によって生成される磁場の強度によって影響を受ける。従って磁石の許容偏差は狭くなければならず、このためにもコストが一段と高められる。
センサ信号の捕捉検出精度の改善をセンサ電流の測定によって行うことができる。というのは、歯繰り返し数に対するセンサ電流の振幅は(L/R時定数によって与えられる)カットオフ周波数より上では−センサ電圧とは異なってー近似的に一定であるからである。これにより、評価電子装置が原因で生じる、捕捉検出精度に及ぼす不都合な影響は著しく低減される。
永久磁石励磁が行われるセンサでは確かに、電流測定の際−およびこのために必要な、センサの短絡の際に−センサそれ自体に発生される電流が、永久磁石によって生成される場とは反対方向を向いている対向磁場を生成するという問題が生じる。
そこで温度が高くかつ機械的な震動が強いところでセンサを作動させる場合には、永久磁石の磁化が徐々に弱められるおそれがあり、これによりセンサは最終的にその機能を失うまでになる。この種の対向磁場がない場合にも、通例のクランク軸センサは寿命の間に磁化の約30%を失う。
択一的に、電磁センサを外部励磁によって作動させることもできる。この場合永久磁石に代わって軟磁性材料、例えば磁気的な薄板合金(Dynamoblech)が使用され、その場合センサコイルに定電流が供給され、そうすると材料が磁化される。ここでは徐々に磁化が弱まっていくというようなことはない。センサの作用は永久磁石励磁と外部励磁とでは機能的には同じである。
JP4−223272A号から、結合コンデンサを用いて反転形増幅器の反転入力側に接続されている電磁センサ用の評価回路が公知である。ここでは増幅器の出力側に、直流電圧電位が非反転入力側に加わる参照電圧によって決められる電圧が現れる。センサの入力側における交流電圧は結合コンデンサの大きさが適当であれば非常に小さい(僅か数mVのピークーピーク)。この構成での問題点は、結合コンデンサの実際に必要とされる値である。この値は、要求される最小の歯繰り返し数が例えば20Hz(内燃機関のスタート過程)の場合それでも十分に低抵抗であるには1000μF以上になるはずである。コンデンサのインピーダンスが余りに大きいとセンサに交流電圧が生じることになり、これによりセンサの下側のカットオフ周波数が上方向にシフトされることになる。更にコンデンサは、障害発生時、例えばバッテリー電圧に対する短絡時に損傷が生じないように、約20Vの電圧耐性を持つように設計されなければならない。また、コンデンサは−自動車の電子装置では普通そうであるように−125℃までの温度に対して連続作動するように設計されていなければならない。このような設計構造のコンデンサは一方において非常に高価であり、他方において大きすぎて容認できるものではない。更に、この回路はシュミットトリガーとして接続されている演算増幅器を有しており、これは後続のデジタル周波数評価ユニットによって処理することができるように、アナログ出力信号をデジタル信号、例えば矩形信号に変換する。
しかも電圧零点通過の検出の際に、シュミット・トリガーと結び付いているヒステリスのために切換時点が時間的にずれることになる。しかもこの場合のずれは入力信号の振幅に依存している。このために測定精度は一向に改善されず、それ故に到底受け入れられない。これまで述べた理由から公知の回路は自動車用途には適していない。
本発明の課題は、EMC安全性が高められていて、センサ信号およびマルチトリガーの、ヒステリスによって生じる時間的な遅延が回避されかつセンサの、短絡および断線に関する簡単な診断が可能になるようにした、誘導センサ用のコスト面で一層有利な評価回路を提供することである。
この課題は、本発明によれば、請求項1の特徴部分に記載の構成を有する評価回路、すなわち
電磁センサを備え、該電磁センサは定電流を用いた外部励磁部を持っており、
相互コンダクタンス増幅器を備え、該増幅器の反転入力側には前記センサの出力信号が供給され、かつ該増幅器の出力信号は反転形低域通過フィルタにおいて参照電圧に変換され、該参照電圧は相互コンダクタンス増幅器の非反転入力側に供給され、
デジタル化回路を備え、該デジタル化回路はシュミットトリガーとこれに対して並列である電圧コンパレータとを有しており、該シュミットトリガーおよび電圧コンパレータともに相互コンダクタンス増幅器の出力信号および参照電圧が供給され、ここでシュミットトリガーはヒステリスを伴った出力信号を送出しかつ電圧コンパレータはヒステリスを伴わない出力信号を送出し、
論理回路を備え、該論理回路はデジタル化回路の2つの出力信号から評価回路のヒステリスを伴わない出力信号を形成しかつ後続の処理のために使用できるようにする
ことによって解決される。
次に本発明の実施例を略示されている図面に基づいて詳細に説明する。図面には次の図がある:
図1は本発明の評価回路の基本的な回路構成を示し、かつ
図2はこの回路の種々の信号経過を示している。
図1には、直流電流によって外部励磁されるセンサ1が同時にセンサ短絡電流を表している交流電流源I1として破線で囲まれて示されている。これに並列に接続されているインダクタンスL1はセンサインダクタンスであり、一方これに直列に接続されている抵抗R1は巻線抵抗である。この抵抗では直流電流で外部励磁されると直流電圧が降下する。この直流電圧は評価回路の参照電圧に対する基準点として使用される。
センサ1が出力負荷なしに作動されると、交流電圧は周波数に比例して上昇する。というのは、インダクタンスL1(=2πL)のインピーダンスは連続して上昇しかつ交流電流源I1によってどんどん大きくなる電圧降下が生じるからである。センサが短絡で作動されると、センサインダクタンスL1と巻線抵抗R1とに電流が分割される。カットオフ周波数ω=L1/R1より上ではインピーダンスは、センサ電流I1が主に巻線抵抗R1を流れる程度に大きくなる。
給電電圧源V1(例えば5V)から成る、センサ1の外部励磁のための定電流源2は出力側に誤極性防止ダイオードD1を備えているカーレントミラー(Q1,Q2,R2およびR3)から成っている。
ベース端子が相互に接続されておりかつエミッタ端子がそれぞれ1つの抵抗R2,R3を介して給電電圧源V1に接続されている2つのトランジスタQ1およびQ2がカーレントミラーを形成している。トランジスタQ2のベースおよびコレクタは相互に接続されているので、これはダイオードとして作用し、かつ抵抗R4を介して基準電圧電位GNDに接続されている。
R3,Q2およびR4の直列回路を流れる電流は抵抗の値およびQ2における電圧降下によって決まってくる。R3が50ΩにかつR4が370Ωに選択されると、5Vを供給した場合約10mAの電流が流れることになる。そこでR2を同じく50Ωに選択すれば、トランジスタQ1およびダイオードD1を通って同様に10mAの電流が流れることになるが、このことはQ1のコレクタ電位に殆ど無関係に行われる。ダイオードD1はセンサ導線の、バッテリーに対する短絡の際のQ1の誤極性を妨げかつこうしてこのトランジスタの破壊を回避している。Q1のコレクタ電流はセンサ1における励磁電流として流れかつ巻線抵抗R1に例えば2.5Vの直流電圧降下が生じる。その場合この直流電圧降下にはセンサ交流電流(図2の信号s1)が重畳されている。
センサの直流および交流電流の和がセンサ出力信号s1を形成する。これは調整される参照電圧生成部を備えている後置接続されている相互コンダクタンス増幅器3に供給される。
相互コンダクタンス増幅器3、増幅器A1はその反転入力側が抵抗R6を介してセンサ1および外部励磁部2に接続されている。抵抗R6はバッテリー電圧への短絡の際に増幅器A1の入力側を保護する。負帰還は抵抗R7を用いて行われる。この抵抗はA1の出力側をセンサ1に接続している。A1の非反転入力側は抵抗R5を介して同様にセンサ1に接続されており、その際R5と、基準電位GNDに通じているコンデンサC1との直列接続は低域フィルタを表している。R5は更に、バッテリー電圧に対する短絡の際にA1の非反転入力側を保護する。A1の出力側は抵抗R8を介して増幅器A2の反転入力側に接続されている。この増幅器は抵抗R9とコンデンサC2との並列接続を介してA2の出力側にも接続されている。これにより増幅器A2は反転形の低域フィルタとして作用する。
増幅器A2の出力側は抵抗R10を介してA2およびA1の非反転入力側に接続されているので、A1の出力電圧は増幅器A2において低域フィルタリングされかつ反転され、参照電圧Vrefとして(図2における信号s2参照)非反転入力側に達する。その値はセンサで降下する直流電圧に相応する。従ってA1の出力側には、その大きさがセンサ交流電流と抵抗R7の値との積によって決められている交流電圧が生じる。R7の選択によってこの大きさを例えば3V(ピークーピーク)に調整設定することができる。これにより一方においてA1の出力の電圧制限が回避され、他方において信号は簡単に続けて処理される。更に、R7を有する負帰還によって、センサ交流電流のためにセンサ入力側に顕著な交流電圧が生じることがないようにされる。従ってセンサは交流電圧的に短絡されている。
A1の出力側に現れるセンサ電圧信号s2(図2)はデジタル化のためにデジタル化回路4に達する。この回路はシュミット・トリガーK1とこれに対して並列に配置されている電圧コンパレータK2とから成っている。
信号s2はコンパレータK2の非反転入力側に直接達し、また抵抗R11を介してコンパレータK1の非反転入力側に達する。コンパレータK1は別の抵抗R12を介してその出力側に接続されている。K1の反転入力側およびK2の非反転入力側は参照電圧Vrefに接続されている。R11およびR12を加えた回路構成によってコンパレータK1はシュミットトリガーになり、このシュミットトリガーのヒステリスの値は比R11/R12とK1の給電電圧とから生じる。K1の出力側に、ヒステリスによって生じる時間遅延を有するデジタル出力信号k1が現れる(図2の信号k1)。
コンパレータK2において信号s2は参照電圧Vrefと比較される。ここではヒステリスは存在しないので、出力側は入力側における0Vの電圧差において正確に切り替わる(図2の信号k2)。しかし入力信号が小さく、ノイズのある場合には、複数回トリガーされる(切り換えられる)ことになる可能性がある。
それ自体は普通であるように、コンパレータK1およびK2に5Vの電圧が供給されると、これらは出力レベルは論理ゲートにおいて引き続き処理されるには適している0Vおよび5Vである。
コンパレータK1およびK2の2つの出力信号k1およびk2は最終的に論理回路5に供給されて、ここで本来の出力信号Outが形成される。この論理回路は2つのインバータN1およびN2、並びに4つのNANDゲートU1ないしU4から成っている。NANDゲートの出力側は、2つの入力側が同時にハイレベルを有しているときにだけローレベルである。このことはNANDゲートU1ないしU4に当てはまる。
インバータN1の入力側およびNANDゲートU2の入力側はシュミットトリガーK1の出力側に接続されている。インバータN1の入力側およびNANDゲートU2の別の入力側はコンパレータK2の出力側に接続されている。
N1の出力側はU1の入力側に接続されている。同じく、N2の出力側はU1の他方の入力側に接続されている。U1の出力側はU3の入力側にも接続されており、U2の出力側も同じようにU4の入力側に接続されている。U3の出力側はU4の別の入力側に接続されており、U4の出力側も同じようにU3の他方の入力側に接続されている。
2つの帰還結合されているNANDゲートU3およびU4は(ティーツェ−シェンク(Tietze-Schenk)にならい)「トランスペアレント」なRSフリップフロップを形成する。U3の出力側は論理回路の出力側であり、そこに信号Outが現れる。このRSフリップフロップの真理値表は次のようになる:
Figure 0004248403
図1および図2に図示されている信号から明らかであるように、シュミットトリガーK1の反転された出力信号k1およびコンパレータK2の反転された出力信号k2はNANDゲートU1に供給され、その出力側にはシュミットトリガーのヒステリスによって時間遅延された信号u1が生じる。
信号k1およびk2は−反転されずに−NANDゲートU1に供給される。このNANDゲートの出力信号u2は信号k2の上昇する側縁から信号k1の下降する側縁までローレベルを有している。
このようにして、2つの信号u1およびu2が得られ、これらは引き続いて「トランスペアレント」なRSフリップフロップに供給される。このフリップフロップの出力信号Outは、u1がローで、u2がハイのときハイであり、u1がハイで、u2がローのときローである。u1もu2もハイであれば、先行状態(Outー1)が維持される。従って例えばコンパレータK2のマルチトリガーによる別の切換状態は作用効果には現れないままである。全体としてこのようにして、NANDゲートU3の出力側に、相互コンダクタンス増幅器A1の出力電圧s2の上昇するおよび下降する、参照電圧Vrefのレベルの通過に位相同期して切り替わるデジタル信号Outが生じる。この信号は
ヒステリス遅延を有していない、かつ
マルチトリガーが生じていない。
評価回路の出力信号Outはそれから引き続く処理(周波数検出など)のために例えば図示されていないマイクロコントローラに供給することができる。
誘導センサに対する診断回路6は3つのコンパレータK3,K4およびK5、分圧器R13ないしR16、並びに保持回路Hから成っている。
コンパレータK3およびK4の非反転入力側並びにコンパレータK5の反転入力側には参照電圧Vrefが加わる。コンパレータK3およびK4の反転入力側、並びにコンパレータK5の非反転入力側は分圧器のそれぞれ異なったタップ点に接続されている。
コンパレータK3ないしK5の出力側は保持回路Hの入力側に接続されており、保持回路の出力側は図示されていないマイクロコントローラに導かれている。リセット線路Resetもこのマイクロコントローラに接続されている。
分圧器は給電電圧Vcc(5V)および基準電位GNDに接続されていて、3つのタップ点に異なっている電圧が生じるようになっている。R13ないしR16の抵抗値の適当な選択によって、例えば上側の電圧しきい値(例えば4.8V)、真ん中の電圧しきい値(例えば4V)および下側の電圧しきい値(例えば0.27V)が生成される。
その場合コンパレータK3ないしK5の出力側は、±1V変動許容範囲を有する約2.5Vにあるときはローが現れる。このことは正常な作動状態、つまり診断状態「エラーなし」に相応する。
断線時には参照電圧Vrefは、カレントミラーQ1〜Q2のトランジスタQ1からの電流によって駆動されて、約4.3Vに上昇していく。これに基づいてK4はハイレベルに切り替わりかつこの値は保持回路Hに記憶されかつ保持回路Hの出力側OWもハイレベルをとる。
バッテリー電圧電位に対する短絡の際、参照電圧Vrefは既述した保護回路網によって約5.5Vに制限される。K3およびK4はこの場合、保持回路Hに記憶されるハイレベルに切り替わる。出力側SCBおよびOWはハイレベルをとる。付加的な、図示されていない簡単な論理結合によって、バッテリー電圧への短絡の際のOWの切換が妨げられる。しかしOWの抑圧は後続のマイクロコントローラにおける評価ソフトウェアによっても可能である。
基準電圧電位への短絡の際参照電圧Vrefの値は非常に小さくなり、これによりコンパレータK5がハイレベルに切り替わる。このレベルは同様に保持回路Hに記憶されかつ出力側SCGはハイレベルをとる。
そこで、上に述べたが図示されていないマイクロコントローラは保持回路Hの出力側に現れる信号レベルSCB、OWおよびSCGを問い合わせかつ評価しかつそこからエラーのあるなしおよびその種類(断線、バッテリー電圧電位への短絡、基準電圧電位への短絡)を識別することができる。この信号レベルを読み出した後、マイクロコントローラは保持回路Hを線路Resetを用いて再びリセットすることができる。
信号SCB、OWおよびSCGの繰り返される読み出し、続いて行われる保持回路のその都度のリセットおよび信号レベルの時間変化の観察によって、真のエラー、持続的なエラーおよび散発的な−妨害電圧によって引き起こされる可能性がある−見せかけエラーかの区別が可能である。
本発明の評価回路の回路構成略図 図1の回路の種々の信号経過を示す線図

Claims (4)

  1. 誘導センサ(1)、例えば自動車の内燃機関のクランク軸の回転特性を捕捉検出するためのセンサ用の評価回路であって、
    電磁センサ(1)を備え、該電磁センサは定電流を用いた外部励磁部(2)を持っており、
    相互コンダクタンス増幅器(3,A1)を備え、該増幅器の反転入力側には前記センサ(1)の出力信号(s1)が供給され、かつ該増幅器の出力信号は反転形低域通過フィルタ(A2)において参照電圧(Vref)に変換され、該参照電圧は相互コンダクタンス増幅器(A1)の非反転入力側に供給され、
    デジタル化回路(4)を備え、該デジタル化回路はシュミットトリガー(K1)とこれに対して並列である電圧コンパレータ(K2)とを有しており、該シュミットトリガーおよび電圧コンパレータともに相互コンダクタンス増幅器(A1)の出力信号(s2)および参照電圧(Vref)が供給され、ここでシュミットトリガー(K1)は該シュミットトリガーにより規定される時間遅延を伴った出力信号(k1)を送出しかつ電圧コンパレータ(K2)はを時間遅延を伴わない出力信号(k2)を送出し、かつ
    論理回路(5)を備え、該論理回路はデジタル化回路(4)の2つの出力信号(k1,k2)から評価回路の時間遅延を伴わない出力信号(Out)を形成し、該時間遅延を伴わない出力信号は前記相互コンダクタンス増幅器(A1)の出力信号(s2)の、前記参照電圧(Vref)のレベルに対する、上昇するおよび下降する通過に位相同期して切り替わりかつ後続の処理のために使用できるようにする
    評価回路。
  2. 前記論理回路(5)は2つのインバータ(N1,N2)および4つのNANDゲート(U1〜U4)を有しており、
    このうち1つのインバータ(N1)の入力側およびこのうち1つのNANDゲート(U2)の入力側は前記シュミットトリガー(K1)の出力側に接続されており、
    別のインバータ(N2)の入力側および前記NANDゲート(U2)の他方の入力側は電圧コンパレータ(K2)の出力側に接続されており、
    前記最初のインバータ(N1)の出力側は別のNANDゲート(U1)の1つの入力側に接続されており、かつ前記別のインバータ(N2)の出力側は該別のNANDゲート(U1)の別の入力側に接続されており、
    該別のNANDゲート(U1)の出力側は更に別のNANDゲート(U3)の入力側に接続されておりかつ前記最初のNANDゲート(U2)の出力側は更にもう1つ別のNANDゲート(U4)の入力側に接続されており、かつ
    該2つの更に別のNANDゲート(U3)および更にもう1つ別のNANDゲート(U4)は、該更にもう1つ別のNANDゲート(U4)の出力側を更に別のNANDゲート(U3)の前記とは別の入力側に接続しかつセンサシステムの出力信号(Out)が引き続く処理のために取り出される、前記更に別のNANDゲート(U3)の出力側を該更にもう1つ別のNANDゲート(U4)の前記とは別の入力側に接続することによってトランスペアレントなRSフリップフロップを形成している
    請求項1記載の評価回路。
  3. 上側の電圧しきい値(oS)、中位の電圧しきい値(mS)および下側の電圧しきい値(uS)が前以て決められており、
    前記参照電圧(Vref)が中位の電圧しきい値(mS)を上回るとき、断線が識別され、
    前記参照電圧(Vref)が上側の電圧しきい値(oS)を上回るとき、バッテリー電圧電位への短絡が識別され、
    前記参照電圧(Vref)が下側の電圧しきい値(uS)を下回るとき、基準電圧電位(GND)への短絡が識別される
    請求項1記載の評価回路。
  4. 給電電圧(Vcc)と基準電圧電位(GND)との間に、上側の電圧しきい値(oS)、中位の電圧しきい値(mS)および下側の電圧しきい値(uS)を形成するための分圧器(R13〜R16)が設けられており、
    電圧コンパレータ(K3)が設けられており、該電圧コンパレータにおいて参照電圧(Vref)が上側の電圧しきい値(oS)と比較され、
    電圧コンパレータ(K4)が設けられており、該電圧コンパレータにおいて参照電圧(Vref)が中位の電圧しきい値(mS)と比較され、かつ
    参照電圧(Vref)が中位の電圧しきい値(mS)および上側の電圧しきい値(oS)を上回っていないまたは下側の電圧しきい値(uS)を下回っていないときローである、電圧コンパレータ(K3〜K5)の出力信号のレベルが保持回路(H)に記憶され、該保持回路から該レベルを引き続く処理のために呼び出すことができかつ該記憶されたレベルはリセット信号(Reset)によって消去可能である
    請求項3記載の評価回路。
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