DE20210548U1

DE20210548U1 - Schaltung zur Bestimmung der Position einer Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE20210548U1
Application number: DE20210548U
Authority: DE
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2012-07-05

Description

&igr; i.i.. &igr;

Brose Fahrzeugteile GmbH & Co.
Kommanditgesellschaft, Coburg
Ketschendorfer Straße 38 - 50

D-96450 Coburg

BRO1110

Schaltung zur Bestimmung der Position einer Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bestimmung der Position einer Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug.

Im Automotivbereich gelangt die Meßtechnik zu immer größerer Bedeutung. Sie ist eine wesentliche Voraussetzung, komplexer werdende Prozesse zu beherrschen. So legen viele Kunden zunehmend größeren Wert auf Komfort im Automobil. Um diesen Komfort zu erlangen, werden unter anderem elektrische Verstellmöglichkeiten mit Memory-Funktion am Sitz verlangt. Die Bedienung kann dabei noch weiter vereinfacht werden, wenn es möglich wird, gewählte Einstellungen abzuspeichern und bei Bedarf wieder anzufahren oder auch das Einsteigen durch entsprechendes automatisches Verfahren des Sitzes zu erleichtern (Easy Entry).

BRO1110 : : : :··:·. - : ·'·.:.. Seite2

Für diese Positionsbestimmung ist es bekannt, einen Hallgeber zu verwenden, der im Elektromotor enthalten ist. Dieses Meßverfahren hat einen entscheidenden Nachteil, da nur Inkremente gezählt werden. So muß bei der ersten Inbetriebnahme ein Referenzlauf stattfinden, bei dem die beiden mechanischen Anschläge eingelernt und somit dessen Zählerstände gespeichert werden. Das hat zur Folge, daß die mechanischen Anschläge für diese Belastungen ausgelegt sein müssen.

Wird nun der Sitz verfahren, ändert sich entsprechend der Bewegungsrichtung der Zählerstand. Der Kunde fährt seinen Sitz in eine für ihn angenehme Position und speichert den Zählerstand dieser Position ab. Im fehlerfreien Ablauf werden beim manuellen Verfahren des Sitzes, das heißt über die Bedienung der Sitzpositionstasten oder beim Verfahren über die Memory-Tasten, die Ist-Zählerstände verändert und beim Anhalten des Sitzes gespeichert. Auch ein ständiges Abspeichern der Ist-Zählerstände ist möglich; zu beachten ist jedoch die begrenzte Anzahl an Lese- und Schreibzyklen der Speicherbausteine.

Tritt beim Verfahren des Sitzes ein Fehler auf, z.B. eine Unterbrechung der Stromversorgung oder auch der kurzzeitige Ausfall des Einchipmikrorechners im Sitzsteuergerät, so kann der aktuelle Ist-Zählerstand nicht mehr abgespeichert werden. Das hat zur Folge, daß der Sitz sich mechanisch an einer anderen Position befindet, als der abgespeicherte Zählerstand angibt. Durch diese Abweichung können die gespeicherten Memory-Positionen nicht mehr exakt angefahren werden und es kann vorkommen, daß der Sitz wieder an den mechanischen Anschlag bewegt wird. Dieser Anschlag kann dadurch auf Dauer geschädigt werden.

Da herkömmlicherweise aus Kostengründen nur mit einem Hallgeber gearbeitet wird, ist es nicht möglich, die Drehrichtung des Motors zu detektieren. Der Ist-Zählerstand im Sitzsteuergerät muß deshalb über aufwendige Algorithmen berechnet werden.

Neben Komfort spielt die Sicherheit eine übergeordnete Rolle. So ist es denkbar, in Abhängigkeit von der Sitzposition die Höhe der Kopfstütze anzupassen oder das Auslösen des oder der Airbags zu steuern. Einen weiteren Sicherheitsaspekt stellt der Einklemmschutz dar, der mit herkömmlichen Systemen noch nicht verwirklicht werden konnte.

BRO1110 : : : :··:··:.:: ·:..:.:.. seite3

In Sitzen, die nur per Hand mechanisch verstellt werden, sind derzeit keine elektronischen Baugruppen zur Positionsbestimmung vorhanden. Auch wenn aus Platzgründen kein mechanischer Antrieb untergebracht werden konnte, aber aus Kostengründen nur ein elektrischer Antrieb ohne Hallgeber und Sitzsteuergerät zur manuellen Verstellung Verwendung findet, können dann diese sicherheitsrelevanten Einstellungen nicht automatisch ablaufen, da die Position nicht ermittelt werden kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Schaltung zu schaffen, die auch eine absolute Positionsbestimmung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Schaltung geschaffen zur Bestimmung der Position einer Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug, mit: einer Brückenschaltung, wobei die Brückenspannung abhängig von der Position der Verstelleinrichtung entlang eines Verstellweges variiert, wobei die Ausgänge der Brückenschaltung mit einem Differenzverstärker verbunden sind, der eine analoge Verstärkungsstufe und einen digitalen Differenzierer aufweist.

Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass keine analoge Referenzspannung für die Messwerterfassung benötigt wird.

Insbesondere kann die Schaltung mittels Anwendung eines magnetoresistiven Sensors eine absolute Längenmessung durchführen. Demnach wird die Sitzposition absolut bestimmt, so dass auf Referenzfahrten verzichtet werden kann. Die mechanischen Anschläge des Sitzes könnten somit theoretisch ganz entfallen. Da diese Meßeinrichtung direkt am Sitz angebracht wird, können außerdem Positionsfehler infolge wechselnder Gewichtsbelastung des Sitzes vermieden werden.

Mit Hilfe des absoluten Meßverfahrens mittels magnetoresistiver Sensoren ist es möglich, eine Position ohne vorheriges Einlernen von Referenzpunkten zu bestimmen. Dazu ist es notwendig, die Maßverkörperung (Magnetstab) mit dem auszumessenden Objekt in Einklang zu bringen. Der Sensor als Meßwertaufnehmer und die

BRO1110 :..&idigr; ^:..^:#T ' ^:..^: i "^:..·.:.. Seite 4

angeschlossene Elektronik sowie die Software, die die notwendigen Berechnungen vornimmt, müssen auf die Meßaufgabe abgestimmt sein. Natürlich sind alle an der Messung beteiligten Baugruppen in entsprechender Toleranz zu fertigen und einzusetzen, um die Position mit der gewünschten Auflösung und Wiederholgenauigkeit darzustellen.

Vorzugsweise ist der digitale Differenzierer in einem Mikrocontroller integriert, der einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der Ausgangssignale der Brückenschaltung aufweist. Der Mikrocontroller kann zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung aus den überlagerten Spannungen ausgebildet sein, wobei die Brückenschaltung als Spannungsteiler wirkt. Dadurch wird das Problem gelöst, dass Brückenelemente in der Produktion nicht symmetrisch hergestellt werden und dadurch Offset-Probleme entstehen, d.h. die Ausgangsspannungen nicht symmetrisch zur halben Betriebsspannung U_b sind.

Der Mikrocontroller kann zur Bestimmung und Kompensation der Offsetspannungen der Operationsverstärker, der Brückenschaltung und/oder der Widerstände zur Verstärkung ausgebildet sein. Zur Kompensation der Offsetspannungen kann der Mikrocontroller zyklisch einen Referenzwert bestimmen. Dadurch können Temperatureinflüsse, die die Offsetspannungen beeinflussen, ausgeglichen werden. Dies wird durch die Errechnung eines Mittelwertes eines oder mehrerer Brückenzweige erreicht. Eine beispielhafte Formel hierfür ist

U_ref=(U_max-U_min)/2 + U_min
25

Voraussetzung dafür ist, dass U_max und U_min (wiederholt) erreicht werden.

Alternativ kann auch für jeden Brückenzweig eine eigene Refernzspannung (U_ref) ermittelt werden.
30

Weiterhin kann der Mikrocontroller zur Ausführung einer Kontrollfunktion zur Überwachung der Brückenschaltung und der Operationsverstärker ausgebildet sein, und zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung anhand der berechneten Offsetspannungen und einem Signal der Brückenschaltung. Dadurch wird eine höhere

PA105/01

• ·

BRO1110 :..: :..···..: : ·..= .:.. Seite 5

Verfügbarkeit der Positionsbestimmung auch bei einem Ausfall von Teilsystemen gewährleistet.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, und es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Magnetstab;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Magnetstabes aus Figur 1;

Figur 3 einen Zusammenhang zwischen mechanischer und berechneter Position einer Sitzverstellung mit dem Magnetstab aus Figur 1;

Figur 4 einen Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke und Widerstand eines magnetoresistiven Sensors;

Figur 5 einen magnetoresistiven Sensor mit Barber-Pol-Struktur;

Figur 6 eine Rotation der Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld des magnetoresistiven Sensors aus Figur 5;

Figur 7 die Winkel eines Stromes und der Magnetisierung im magnetoresistiven

Sensor aus Figur 5;
25

Figur 8 schematisch einen magnetoresistiven Sensor ohne Barber-Pole;

Figur 9 schematisch einen magnetoresistiven Sensor mit Barber-Polen;
Figur 10 den Prinzipaufbau eines Winkelsensors;

Figur 11 den theoretischen Signalverlauf der Brückenspannungen eines magnetoresistiven Sensors;

PA105/01

BRO1110 :..^{: :}..^:#T ' ^:..^: i ^#:..^:.:.. Seite6

Figur 12 den realen Signalverlauf der Brückenspannungen eines magnetoresistiven Sensors;

Figur 13 gemessene Brückenspannungen eines magnetoresistiven Sensors zueinander aufgetragen;

Figur 14 das Schaltbild einer Verstärkerschaltung für den magnetoresistiven Sensor;

Figur 14a das Schaltbild der Schaltung aus Figur 14 mit angeschlossenen MikroController und Verstellmotor;

Figur 15 eine direkte Auswertung der Brückenspannungen;
Figur 16 eine Meßbrücke und deren Spannungen;

Figur 17 den prinzipiellen Aufbau eines Differenzverstärkers mit einem Operationsverstärker (OPV);

Figur 18 die Richtung der Ströme im Brückenzweig;
20

Figur 19 einen Kanal des Meßverstärkers (Pspice-Simulation);

Figur 20 die Spannungen des Verstärkers bei einer Verstärkung V = 25,5;
Figur 21 die Spannungen des Verstärkers bei einer Verstärkung V = 56,4;
Figur 22 die Spannungen des Verstärkers bei einer Verstärkung V = 71;

Figur 23 zwei Brückensignale mit Offset;
30

Figur 24 ideale Signale zueinander aufgetragen, mit Offset;

Figur 25 Winkelfehler verursacht durch einen Offset der Signale bei einem idealen

Signalverlauf; und
35

&Oacgr; .\"^: ":'O :..: j. PA105/01

BRO1110 ·..! \.^:'T " ^:..· : ·..*.:.. Seite 7

Figur 26 die Zuordnung der Quadranten.

Das Meßprinzip

Figur 1 stellt den Querschnitt eines als Maßverkörperung dienenden Stabes 10 aus kunststoffgebundenem Ferrit dar. Dieser ist parallel zum Querschnitt, also quer zu seiner Achse, magnetisiert.

Figur 2 stellt eine perpektivische Ansicht des Magnetstabes 10 dar. Der Vektor 21 der Magnetisierung dreht sich über eine gewünschte Länge längs der Stabachse. Die Pfeile 20 bezeichnen die Magnetisierungsrichtung.

Ebenfalls dargestellt ist ein Sensor 22 zur Erfassung des Magnetfeldes. Der Sensor 22 bewegt sich in der Nähe des Magnetfeldes in axialer Richtung. Je nach axialer Position stellt sich ein bestimmter Vektor des Magnetfeldes zum Sensor 22 ein.

Der sich je nach Position des Sensors 22 zum Magnetsstab einstellende Magnetfeldvektor zeigt unterschiedliche Wirkung auf den Sensor 22, was eine Widerstandsänderung in den Brückenwiderständen des Sensors 22 zur Folge hat, wie nachfolgend beschrieben.

Wichtig für die Berechnung der Position ist der Zusammenhang zwischen der Länge der Magnetisierung und der Länge des zu messenden Weges. Weiterhin muß der Abstand zwischen Beginn der Magnetisierung und der Referenzposition bekannt sein. Diese Zusammenhänge sind entweder einmalig im zusammengebauten Zustand zu ermitteln, oder durch entsprechende Längenangaben an den Lieferanten ist die Länge und Lage der Maßverkörperung auf ihren zukünftigen Einsatz abzustimmen. Bleiben Längen und Einbaupositionen innerhalb eines Toleranzbereiches und sind die Offsets der Brückenspannungen des magnetoresistiven Sensors 22 bekannt (siehe unten), müssen keine weiteren Messungen zum Abgleich erfolgen.

Der Sensor 22 erfaßt den Winkel des Magnetfeldes und gibt zwei Spannungen aus. Diese werden verstärkt und zu digitalen Werten gewandelt. Aus den beiden Werten wird dann die Position berechnet. Diese Position ist immer absolut zur Maßverkörperung zu sehen.

:..^::... .:.\" &ugr;.:!." I IJ "V·:·:"! : j &Iacgr; &Rgr;&Agr;105/01

BRO1110 :..· ·..· : ·..* : ·..·.:.. Seite 8

Bei diesem Meßverfahren werden keine Inkremente gezählt. Die Position wird nicht aus der Addition oder Subtraktion von Inkrementen berechnet. Sie wird aus zwei, vom Sensor generierten Spannungen, die absolut mit der Position des Sensors zur Maßverkörperung in Zusammenhang stehen, berechnet. Die Maßverkörperung trägt in diesem Fall die Position durch die Drehung des Magnetfeldes als Absolutwert. Da die Widerstandsänderung im Sensor mit dem doppelten Winkel des Magnetfeldes einher geht, muß der Magnetstab über seine Länge eine Magnetfelddrehung von lediglich 180° aufweisen.

Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen mechanischer und berechneter Position. Wie aus der Darstellung zu erkennen ist, kann die Maßverkörperung länger als der Verstellweg sein. Für eine optimale Auflösung der Position sollten jedoch beide die gleiche Länge haben. Würde die Maßverkörperung für einen kürzeren Verstellweg ausgelegt werden, so könnte die Position nur in diesem kürzeren Bereich absolut bestimmt werden. Nur in einem Signalbereich des magnetoresistiven Sensors von 0° bis 360°, also von 0° bis 180° Magnetfelddrehung im Magnetstab, kann die Position absolut bestimmt werden.

Der Magnetstab wird fertigungstechnisch über seine gesamte mechanische Länge magnetisiert. Für die Positionsermittlung wird nur der benötigte Magnetisierungsabschnitt verwendet. Umfaßt dieser Abschnitt einen Drehwinkel des Magnetfeldes kleiner als 180°, ist in jedem Fall eine eindeutige Positionierung möglich. Der Wertebereich des berechneten Arkustangens erreicht hierbei allerdings keine 360°. Wird der Bereich ganz ausgenutzt, in diesem Fall 0° bis 180°, kann ebenfalls die Position eindeutig bestimmt werden. Ist innerhalb des Verstellwegs der Drehwinkel der Magnetisierung größer als 180°, existieren über dem ganzen Bereich mindestens zwei mechanische Positionen für ein und dieselbe aus den Sensorspannungen berechneten Position. In diesem Fall sind Abschnitte der 4 Quadranten, die die Sinus- und Kosinusspannung des Sensors bilden, mehrfach vorhanden.

Zur genauen Positionsbestimmung sollte demzufolge nur der Winkelbereich von max. 180° im Magnetstab für den vorgesehenen Verstellweg genutzt werden. Über diese Skalierung kann jedem Winkel eine Position zugeordnet werden.

PA105/01

BRO1110 :..· *..· I \.· : ·..*.:.. Seite 9

Die nachfolgende Berechnung beruht auf das Zurückführen der eingelesenen Spannungen, die in einem beliebigen Quadranten liegen können, auf den ersten Quadranten. Da die Tangens-Funktion eine periodische Funktion ist, besteht diese Möglichkeit. Treten nun periodische Fehler auf, können diese im ersten Quadranten korrigiert und anschließend die Position auf den wirklichen Quadranten umgerechnet werden. Diese Zusammenhänge werden nachfolgend noch erläutert.

Herstellung und Funktionsweise des Sensors

Magnetoresistive Sensoren werden mit modernsten mikrotechnischen Herstellungsverfahren für Mikrochips hergestellt. Sie beruhen auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt. Dieser Effekt tritt in bestimmten Klassen von ferromagnetischen Materialien, wie Permalloy, auf. Permalloy wird als dünne Schicht im Magnetfeld abgeschieden und in Streifenform strukturiert. Es entstehen Leiterstreifen mit einer im Prozeß in Leiterlängsrichtung orientierten, voreingestellten magnetischen Anisotrppie.

Im feldfreien Zustand bzw. bei parallel verlaufender Magnetisierungs- und Stromrichtung zeigt dieser Leiter einen maximalen Widerstand, welcher beim Anlegen eines minimalen aber ausreichend großen, äußeren Magnetfeldes sinkt. Der geringste Widerstand ist erreicht, wenn die Magnetisierung senkrecht zur Stromrichtung zeigt. Die maximale Widerstandsänderung beträgt einige Prozent des Gesamtwiderstandes. Die Änderung des Widerstandes wird durch die magnetische Feldstärke H und nicht durch die magnetische Flußdichte B bestimmt. Der Sensor arbeitet im Sättigungsbetrieb oberhalb der Sättigungsfeldstärke.

Bei dieser vorgestellten Struktur spielt die Polung der Feldstärke keine Rolle. Die Widerstandsänderung
ist proportional zu H². Damit ist aber die Polung der Feldstärke nicht bestimmbar. Durch das Aufbringen von Barber-Polen, die in einem Winkel von 45° zur Längsachse des Sensors angeordnet sind, wird die Widerstandskennlinie der magnetoresistiven Sensoren um den Arbeitspunkt linearisiert. Diese Barber-Pole bestehen aus gut leitfähigen Material, z.B. Aluminium.

Figur 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke und dem Widerstand des Sensors 22.
35

BRO1110

Figur 5 zeigt den magnetoresistiven Sensor 22 mit Barber-Pol-Struktur. Das Permalloy (ca. 80% Nickel, ca. 20% Eisen) ist sehr hochohmig. Durch die gut leitenden Metallstreifen, Barber-Pole, wählt der Strom I im feldfreien Raum einen Winkel von 45° gegenüber der Längsrichtung des Sensors. Der Strom sucht sich den kürzesten Weg durch den Sensor. Wird nun ein äußeres magnetisches Feld am Sensor angelegt, ändert sich je nach Richtung der magnetischen Feldstärke der Stromverlauf im Sensor und damit der Widerstand. Die Widertstandsänderung kann wie folgt berechnet werden.

R(j3) = R_const+AR* cos{2*ß)

Wobei: R(ß): Widerstand des Sensorstreifens

Rcons*: konstanter Widerstandsanteil

AR: einige Prozent des Gesamtwiderstandes

ß: Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetisierung M

Figur 6 zeigt die Rotation der Magnetisierung M durch ein externes Magnetfeld. Figur 7 zeigt die Winkel der Stromrichtung und der Magnetisierung im Sensor. Figur 8 zeigt einen magnetoresistiven Sensor ohne Barber-Pole; Figur 9 zeigt einen magnetoresistiven Sensor mit Berber-Polen.

Das äußere Magnetfeld H dreht die Magnetisierung M und verändert den Widerstand des magnetoresistiven Sensors. Da die Widerstandsänderung nur sehr gering ist, werden diese Sensorwiderstände in Brückenschaltungen eingesetzt. Das reduziert den Temperatureinfluß und erhöht die Empfindlichkeit. Die Meßbrücken bilden die Grundlage des magnetoresistiven Sensors. Die zwei Brückensignale sind um 90° versetzt. Deshalb trägt jeder magnetoresistiver Sensor zwei dieser Brückenschaltungen. Die Brücken sind um 45° versetzt implementiert.

Die idealen Brückenspannungen können wie folgt berechnet werden:
30

PA105/01

BRO1110

Wobei: U_S)N(ß): Brückenspannung der Sinus-Brücke

Ucos(ß): Brückenspannung der Cosinus-Brücke

U_A: maximale Brückenspannung

Figur 10 zeigt den Prinzipaufbau eines Winkelsensors.

Brückenspannungen

Die Größe der Brückenspannungen ist abhängig von der magnetischen Feldstärke H im magnetoresistiven Material. Figur 11 zeigt den theoretischen Signalverlauf der Brückenspannungen eines magnetoresistiven Sensors. Figur 12 hingegen zeigt einen real gemessenen Verlauf der Brückenspannungen. Der Offset beider Brückenspannungen ist deutlich zu erkennen. Auch die Signalamplitude und Form zeigen Abweichungen verglichen mit dem theoretischen Verlauf. Figur 13 zeigt die gemessenen Brückenspannungen zueinander aufgetragen.

Brückenverstärker

Ein direkter Anschluß des magnetoresistiven Sensors an den verwendeten Einchipmikrorechner mit integriertem AD-Wandler ist nicht ratsam. Der AD-Wandler quantisiert seinen Eingangsspannungsbereich von 0 bis 5V bei einer Auflösung von 10 Bit in 1024 Inkremente zu je 4,88mV.

Figur 14 zeigt das Schaltbild einer Schaltung zur Verstärkung der Brückenspannungen. Figur 14a zeigt die Schaltung mit angeschlossenen Mikrocontroller und Verstellmotor.

Die Brückenspannungen des magnetoresistiven Sensors liegen mit einem Offset behaftet symmetrisch zur halben Betriebsspannung. Ihr Pegel beträgt maximal 13mV/V. Diese Brückenspannung ist von der Betriebsspannung und von der äußeren magnetischen Feldstärke H abhängig. Bei einer Betriebsspannung von 5V liefert der Sensor im Maximum eine Brückenspannung von 65mV. Der nachgeschaltete AD-Wandler löst diese Spannung nur mit 4 Bit auf, wobei diese 4 Bit nicht ausgenutzt werden. Durch diese geringe Auflösung werden beide Brückenspannungen in 14 Inkremente aufgeteilt.

Wie oben schon erwähnt, kann die Berechnung der Position in den 4 Quadranten auf einen Quadranten zurückgeführt werden. In diesem Quadranten wird aus den zwei

PA105/01

BRO1110

Spannungen, die grob skaliert sind, die Position des Sensors berechnet. Dabei ist vorstellbar, daß die berechnete Position auch nur in diesem groben Raster berechnet werden kann. Figur 15 stellt diese Zusammenhänge dar. Darin bezeichnet 150 die ideale Brückenspannung der Sinusbrücke, 151 die ideale Brückenspannung der Cosinusbrücke, 152 die quantisierte Brückenspannung der Sinusbrücke, 153 die quantisierte Brückenspannung der Cosinusbrücke, und 154 die berechnete Position im ersten Quadranten.

Dabei ist deutlich die grobe Rasterung der Brückenspannung zu erkennen. Für diese Darstellung sind ideal verlaufende Sinus- und Kosinusspannungen zu Grunde gelegt. Mit Hilfe der Arkustangens-Funktion wurde der Winkel berechnet. Über eine entsprechende Skalierung ist diesem Winkelbereich von 90° und umgerechnet auf alle 4 Quadranten einem Winkelbereich von 360° eine Position zuzuordnen.

Der berechnete Winkel kann nur in einer groben Rasterung unterschiedlicher Rasterbreite abgelesen werden. Bei Annahme einer idealen Treppenfunktion ist eine Aufteilung des Quadranten in 20 Schritte möglich. Das entspricht einer Auflösung von etwa 22% der Verstellänge. Durch die Ausnutzung der gesamten Wandlerbreite ist eine höhere Auflösung gegeben. In dieser Darstellung ist deutlich zu erkennen, daß keine eindeutige Zuordnung von wahrem und berechnetem Winkel möglich ist. Für eine geforderte Auflösung von <=1% ist somit ein Betreiben dieser Anordnung nicht ausreichend. Die Verwendung eines zusätzlichen Verstärkers ist unumgänglich.

Um den AD-Wandler in seinem gesamten Eingangsbereich nutzen zu können, ist es notwendig, die Brückenspannungen zu verstärken und an den AD-Wandlereingang anzupassen. Die Anforderungen an die Schaltung wurden dabei folgenderweise definiert:

1. Einsatz im Automotiv-Bereich

2. Verstärkung der Brückenspannungen

3. Speisung eines AD-Wandlers mit maximal 5V Eingangsspannung

4. Unipolare Spannungsversorgung

5. Spannungsfest entsprechend den Anforderungen im KFZ

6. Temperaturbereich -40⁰C bis 8O⁰C

7. Kostengünstige Variante

8. Ohne zusätzlichen AD-Wandler, da eingebaut in MikroController

PA105/01

BRO1110

Der magnetoresistive Sensor arbeitet mit einer Versorgungsspannung bis 8V. Für den nachgeschalteten AD-Wandler sind Eingangsspannungen größer 5V nicht zulässig. Um auf weitere Schaltungen zur Pegelanpassung zu verzichten, werden Sensor und Verstärkerschaltung mit 5V Betriebsspannung betrieben. Das garantiert den Schutz des AD-Wandlereinganges. Für den magnetoresistiven Sensor ist diese Betriebsspannung ausreichend.

Da später für die Versorgung des Einchipmikrorechners ein Spannungsregler mit der notwendigen Außenbeschaltung, der die Betriebsspannung stabilisiert und glättet, notwendig ist, kann auf zusätzliche Bauelemente verzichtet werden. Die im magnetoresistiven Sensor generierten Brückenspannungen beziehen sich auf die halbe Betriebsspannung. Zwischen den Ausgängen des Sensors muß mit einem Pegel von maximal ±65mV gerechnet werden. Dieser Pegel sollte optimal auf ±2,5V verstärkt werden. In diesem Fall könnte der Eingangsspannungsbereich des AD-Wandlers voll ausgenutzt werden.

Da zu den Brückenspannungen des Sensors Offsetspannungen addiert sind und die Brückenspannungen noch von der magnetischen Feldstärke H abhängen, kann die Verstärkung der Brückenverstärker nicht maximal gewählt werden. Es muß garantiert werden, daß in jeder Situation der Arbeitsbereich der Verstärkerschaltung nicht überschritten wird. Die Verstärker werden über die Betriebsspannung begrenzt. Um natürlich einen möglichst großen Bereich innerhalb der Betriebsspannungsgrenzen nutzen zu können, müssen Bauelemente Verwendung finden, die bis zu wenigen Millivolt an den Betriebsspannungsbereich heran arbeiten. Das sind Operationsverstärker mit Rail-To-Rail Verhalten am Ausgang.

Die maximal mögliche Verstärkung kann wie folgt berechnet werden:

r.^u-

u_Br

Wobei: V: Verstärkung

U_AD: Spannung am AD-Wandlereingang

U_Br: Brückenspannung des magnetoresistiven Sensors

PA105/01

Zu beachten ist hierbei, das nur die Brückenspannung verstärkt wird.

Figur 16 zeigt eine Meßbrücke und deren Spannungen.
5

Im Idealfall haben die Ausgänge der Meßbrücke folgende Spannungspegel:

" 2
10

Die Spannung AU entsteht im magnetoresistiven Sensor durch sein Verschieben am Magnetstab. Die Widerstände in der Brücke ändern optimal ihre Werte um den gleichen Betrag. Die abzugreifende Brückenspannung wird wie folgt berechnet:

U_Br=U_el-U_el=±2AU

Da es nicht möglich ist, die Verstärkerschaltung mit symmetrischer Betriebsspannung zu betreiben, muß die verstärkte Brückenspannung um einen Offset, der halben Betriebsspannung, verschoben werden. So kann der Ausgang der Verstärkerschaltung um seinen Arbeitspunkt ausgesteuert werden.

Figur 17 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Differenzverstärkers mit einem OPV nach einem Ausführungsbeispiel. Dabei kommt der reine Differenzverstärker ohne Zusatz-OPV zum Einsatz. Bedingt durch diese Ersparnis wird ein Zweig der Meßbrücke belastet, da dieser Zweig am invertierenden Eingang der Verstärkerschaltung angeschlossen ist. Die Widerstände zur Einstellung der Verstärkung müssen so gewählt werden, daß der Strom durch diesen einen Meßzweig, ausgehend vom OPV, so gering wie möglich ist. Das ist aber nicht ohne weiteres möglich, da nur Widerstände bis zu einem maximalen Wert, etwa 18OkQ, eingesetzt werden.

Die Spannung U_e1 wird von einem Zweig der Meßbrücke bereitgestellt. Wird an U_e2 die Betriebsspannung angelegt, so bilden R₇ und R₈ den anderen Zweig der Meßbrücke.

PA105/01

BRO1110

Weiterhin gelten noch folgende Zusammenhänge:

^K6

In Abhängigkeit von U₀ und U_e2 variiert die Richtung des Stromes I_R6.

In diesem Brückenzweig gelten im unbelasteten Fall die folgenden Beziehungen:

¹ Br

U_el=I_Br*R₄

Im Normalfall wird die Meßbrücke nicht durch die angeschlossene Elektronik belastet. In diesem Fall wirkt der Strom I_R6 auf die Brücke. Um diese Rückwirkung so gering wie möglich zu halten, ist für R₅ und R₆ ein besonders großer Widerstandswert einzusetzen.
Figur 18 zeigt die Richtung der Ströme im Brückenzweig.

Figur 19 zeigt einen Kanal des Meßverstärkers (Pspice-Simulation).

Zur besseren Gleichtaktunterdrückung ist der zukünftige Einsatz der Widerstände R₇ und R₈ sinnvoll.

Die Figuren 20, 21 und 22 zeigen die Spannungen bei einer Verstärkung von V=25,5, V=56,4bzw. V=71.

Bedingt durch die zu groß gewählte Verstärkung in Figur 22 übersteuert der Verstärker. In diesen Bereichen ist mit einer Abweichung der berechneten Position zu rechnen.

Generell kann die Brückenspannung jedoch hoch verstärkt werden. Das resultiert aus der Beeinflussung der Brückenspannung durch den Operationsverstärker.
30

Der Einfluß der individuellen Offset-Spannungen der Meßbrücken ist vorhanden. Mit den so berechneten Brückenspannungen kann mit Abweichung in der Linearität die Position

PA105/01

BRO1110 :..· ·..· : ·..· :

berechnet werden. Ist der über dieses Verfahren entstehende Linearitätsfehler zu groß, müssen die beiden Offset-Spannungen noch ermittelt und kompensiert werden.

Die Brückenspannungen setzen sich aus den folgenden Werten zusammen: 5

Tj -Tj ₊y*rj

^U AD-sin - ^U Off-sin ^ ^Y ^U sin-Br
U AD-cos ⁼ U Off-cos ⁺" ^cos-flr

Die beiden Brückenspannungen werden nun wie folgt berechnet: 10

SINUS_0 = U_AD__sin

COSINUS _O = U^₀₀₅

Offset-Korrektur

Ziel der Offset-Korrektur ist das Zentrieren der offsetbehafteten Brückenspannungen zur Abszisse. Dadurch wird eine Linearisierung der Positionsberechnung erreicht.

Für die Offset-Korrektur können folgende Verfahren angewendet werden:

1.) Für jede Meßeinrichtung individuell:

Einmaliges Ermitteln der Maxima der Brückenspannungen nach dem Zusammenbau

der Meßeinrichtung
- Abspeichern der 4 Maxima

Berechnen der beiden Offset's
- Brückenspannungen korrigieren

2.) Für jede Meßeinrichtung gleich:

Für jede Charge Ermittlung der 4 Maxima in einem Meßaufbau Berechnung der Offsets

- Eintragen der Offsets beim Programmieren der Einchipmikrorechner für die Meßeinrichtung

BRO1110

Im vorliegenden Fall wurde das Verfahren 2 zur Offset-Korrektur angewandt. Für die weiteren Berechnungen standen die offsetkorrigierten Werte (SINUS und KOSINUS) zur Verfügung.

Figur 23 zeigt zwei ideale Brückensignale, die jeweils um einen Offset verschoben sind. Um den Versatz besser erkennen und ermitteln zu können, macht die Darstellung der Signale zueinander Sinn. Nach dem Ermitteln der 4 Maxima können der eingezeichnete Offset berechnet und die Signale korrigiert werden. Die dargestellte Kurve wird dadurch symmetrisch zum Nullpunkt gelegt. Die Stabilität der korrigierten Werte im Temperatur- und Betriebsspannungsbereich muß gegebenenfalls noch ermittelt werden. Sollte sich unter den wechselnden Umgebungsbedingungen der Offset ändern, muß mit Meßfehlern gerechnet werden.

Figur 24 zeigt ideal Signale zueinander aufgetragen; der Offset ist ebenfalls eingetragen. 15

Figur 25 zeigt den Winkelfehler verursacht durch einen Offset der Signale bei einem idealen Signalverlauf.

Für einen Offset beider Brückenspannungen von 10% der maximalen Signalamplitude zeigt Figur 24 den Winkelfehler des berechneten Winkels. Da dieser Fehler keinen Einfluß auf die Wiederholgenauigkeit hat, sondern nur auf die Linearität des berechneten Winkels, muß entschieden werden, ob es notwendig ist, den Offset zu bestimmen. Dabei hat sich ergeben, dass es unter Umständen genügt, den Offset nur mit einer geringen Auflösung zu ermitteln.

Berechnung der Position

Ausgangspunkt zur weiteren Berechnung sind die beiden Brückenspannungen.

Figur 26 zeigt die Zuordnung der Quadranten.
Die Berechnung der Position verläuft über folgende Schritte:

1. Ermittlung des Quadranten und Speicherung der Quadrantennummer

2. Betragsbildung der Brückenwerte

3. SINUS = 0? dann Zwischenposition = 0°

4. KOSINUS = 0? dann Zwischenposition = 90°

BRO1110 i..^: \.^:"&Iacgr; - ·--·

5. Für alle anderen Werte Bilden des Quotienten von SINUS zu KOSINUS

6. Heraussuchen des passenden Wertes aus der Tabelle (Tangens von 0° bis 90°)

7. passenden Winkel zum berechneten Wert ausgeben

8. Zurückführen der berechneten Zwischenposition in Absolutposition 5

Für die 4 Quadranten gelten folgende Beziehungen im Winkelbereich 0° bis 360°:

I.Quadrant: Brückenwert SINUS: positiv

Brückenwert KOSINUS: positiv 10

Absolutposition = Zwischenposition

2. Quadrant: Brückenwert SINUS: positiv

Brückenwert KOSINUS: negativ 15

Absolutposition = 180° - Zwischenposition

3. Quadrant: Brückenwert SINUS: negativ

Brückenwert KOSINUS: negativ 20

Absolutposition = 180° + Zwischenposition

4. Quadrant: Brückenwert SINUS: negativ

Brückenwert KOSINUS: positiv 25

Absolutposition = 360° - Zwischenposition

Über die in Gleichung

360°

kann aus der Absolutposition die Längenposition berechnet und dem Winkel eine Länge zugeordnet werden, wobei

PA105/01

BRO1110 :..^: \.^:*&Tgr; *^:..^: :

&bgr;: Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetisierung M

I: maximaler Verstellweg

S: berechnete Position

Tangens-Tabelle

Um die Rechenzeit zu begrenzen ist es erforderlich, nur mit ganzen Zahlen zu arbeiten.

Deshalb ist es notwendig, mit Hilfe einer Tabelle, welche in entsprechender Form die notwendige Anzahl an Tangenswerten im Winkelbereich 0° bis 90° enthält, zu arbeiten. Wie schon erwähnt, kann die Berechnung im ersten Quadranten erfolgen. Das reduziert die Länge der Tabelle und damit den benötigten Speicherbedarf.

Die geforderte Auflösung beträgt maximal 1% der Gesamtlänge. Das entspricht bei einem Gesamtwinkel von 360° eine minimale Auflösung von 3,6°. Das Ziel sollte nicht nur das Erreichen dieser Auflösung, sondern auch das Bewerten der Meßeinrichtung sein. Dazu wird der Winkelbereich von 0° bis 90° in 0,25° Schritte eingeteilt. Die Tabelle umfaßt deshalb 361 Werte. Durch dieses Verfahren kan die Anzahl der Zeilen begrenzt werden. Die mögliche Anzahl an berechneten Tangenswerten durch eine Quotientenbildung aus den eingelesenen SINUS- und KOSINUS-Werten würde die Speichergröße sprengen.

Es wird nicht jedem möglichen berechneten Tangens ein Winkel zugeordnet, sondern, um die Auflösung zu erreichen, nur den notwendigen Winkeln ein Tangenswert. Wie in den obigen Gleichungen angegeben, werden die Positionen in den einzelnen Quadranten berechnet. Dazu entspricht nur der Wert 180° einem Wert von 720 und der Wert von 360° einem Wert von 1440. Den entsprechend skalierten Werten des Tangens im angegebenen Winkelbereich sind die Zahlen 0 bis 360 zugeordnet. Diese Tabelle ist insbesondere im Zusammenhang mit dem Einlesen der Spannungen der 4 Brückenzweige vorgesehen. Dabei wird jeder dieser 4 Werte mit 10 Bit gewandelt. Es entstehen 4 Zahlen im Bereich 0 bis 1023. Die Brückenwerte für Sinus und Kosinus werden nach den folgenden Formeln berechnet:

SINUS_-O = U₄₀^₁ -U_AD__A2 = U_off__sin+V*U_sin__Br COSINUS _ O = £/^__cosl - U₄₀^₂ = U_off__ms + V * U_C0S&ldquor;_Br

9· · 9 9 9 999 9 9*99 9 9 9 9 9

·· 9999 999 9999 999

9 9999 9999 99 9999 999 99 999 9 99 99 999

PA105/01

BRO1110

Diese Brückenwerte umfassen somit theoretisch den gesamten Wertebereich.

Ziel ist es, bei der Division der SINUS- und KOSINUS-Werte möglichst viele nutzbare ganzzahlige TANGENS-Werte zu berechnen. Bei der Berechnung werden Pol- und Nullstellen ausgeschlossen. Dazu ist folgede Berechnungsvorschrift gewählt

TANGENS =

SINUS* 1000
KOSINUS

Nach dieser Gleichung berechnet der Einchipmikrorechner aus den eingelesenen und teilweise auch Offset-korrigierten Werten den Tangens, welcher mit den Tabellenwerten verglichen wird.

Die Werte der Tangens-Tabelle umfassen den selben Wertevorrat, wie der berechnete Tangens-Wert aus den eingelesenen Daten.

Die Werte der Tabelle ist nach der folgenden Formel berechnet:

RUNDEN(1000*TAN(WINKEL))

20 Wobei:

WINKEL: Winkelbereich 0° bis 90°, Schrittweite 0,25°

Mit Hilfe des Befehls RUNDEN werden die Werte auf ganze Zahlen gerundet.

25

Damit ergibt sich folgende Tangenstabelle:

Zeilennummer	Winkel in °	TAN(Winkel)
0	0	0
1	0,25	4
2	0,5	9
3	0,75	13
4	1	17

356	89	57290
357	89,25	76390

BRO1110

358	89,5	114589
359	89,75	229182
360	90	1023001

Mit Hilfe der so berechneten Werte werden Ergebnisse im vorgegebenen
Toleranzbereich erzielt.

Eventuell kann eine Vergrößerung der Schrittweite, z.B. auf 1 Grad, ausreichend für die
geforderte Auflösung sein. Dadurch reduziert sich der Speicherbedarf erheblich.

Anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Modifikationen innerhalb des durch die Ansprüche festgelegten Schutzumfanges umfasst.

• ·

BRO1110

Bezugszeichenliste

1	Maßverkörperung mit angegebener Magnetfeldrichtung Drehung 180°
2	Brückenspannungen vom Sensor generiert, jeweils eine volle Periode
3	Brückenspannung der Cosinusmessbrücke
4	Brückenspannung der Sinusmessbrücke
5	berechneter Arkustangens aus den an der jeweiligen Position abgegebenen
	Brückenspannungen
6	MR-Sensor ohne Barber-Pole
7	MR-Sensor mit Barber-Polen
8	Permalloy
9	Barber Pol
10	Magnetstab
11	MR-Sensor
12	Ua(sin)
13	Ua(cos)
14	MikroController
15	Antrieb
16	Ir₆ für U₀<Ue2 ■* U_e1*<Uei für Ir₆=O
17	Ir₆ für U₀>Ue2 ■· Uei>Uei für l_R6=0
18	0,5+sin(Winkel)
19	0,5+cos(Winkel)
20	Magnetisierungsrichtung
21	Magentisierungsvektor
22	magnetoresistiver Sensor
23	Offset
24	berechneter Winkel
25	idealer Winkel
26	Winkelfehler
27	Sinus
28	Cosinus

• t · ·

• r &bgr;··· *

BR01110

Seite 22a

150 ideale Brückenspannung der Sinusbrücke

151 ideale Brückenspannung der Cosinusbrücke

152 quantisierte Brückenspannung der Sinusbrücke

153 quantisierte Brückenspannung der Cosinusbrücke

154 berechnete Position im ersten Quadranten Ub Betriebsspannung

U_ei Ausgangsspannung 1

Ue2 Ausgangsspannung 2 Ri - R₄ magnetoresistive Widerstände

Claims

1. Schaltung zur Bestimmung der Position einer Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug, mit:
einer Brückenschaltung, wobei die Brückenspannung abhängig von der Position der Verstelleinrichtung entlang eines Verstellweges variiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgänge der Brückenschaltung mit einem Differenzverstärker verbunden sind, der eine analoge Verstärkungsstufe und einen digitalen Differenzierer aufweist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Verstärkungsstufe aus zwei gekoppelten Operationsverstärkern besteht.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der Operationsverstärker für die rückgekoppelten Spannungen über einen Widerstand miteinander verbunden sind.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Differenzierer in einem Mikrocontroller integriert ist, der einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der Ausgangssignale der Brückenschaltung aufweist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung aus den überlagerten Spannungen ausgebildet ist, wobei die Brückenschaltung als Spannungsteiler wirkt.

6. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3 und Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (MUX) zur zyklischen Verbindung des oder der Analog-Digital- Wandler(s) mit einem der Ausgänge der Operationsverstärker.

7. Schaltung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Bestimmung und Kompensation der Offsetspannungen der Operationsverstärker, der Brückenschaltung und/oder der Widerstände zur Verstärkung ausgebildet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Kompensation der Offsetspannungen zur zyklischen Bestimmung eines Referenzwertes ausgebildet ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Ausführung einer Kontrollfunktion zur Überwachung der Brückenschaltung und der Operationsverstärker ausgebildet ist, und zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung anhand der berechneten Offsetspannungen und einem Signal der Brückenschaltung.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung durch Verarbeitung der digitalisierten Signale unter Bildung einer Tangensfunktion ausgebildet ist.

11. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der digitalisierten Signale die Bildung eines Winkelwertes durch Zuordnung zu einem anhand der Tangensfunktion berechneten Tangenswertes innerhalb eines vorgegebenen Quadranten umfasst.

12. Schaltung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Speicher zur Speicherung einer Vielzahl von Winkelwerten innerhalb des Winkelbereiches des vorgegebenen Quadranten, wobei der Mikrocontroller zum Abruf des dem berechneten Tangenswert zugeordneten Winkelwertes ausgebildet ist.

13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Quadrant der erste Quadrant ist.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der digitalisierten Signale die Bestimmung eines Quadranten umfasst, und der Mikrcontroller zur Berechnung der Position der Verstelleinrichtung anhand des derart bestimmten Quadranten sowie des innerhalb des vorgegebenen Quadranten bestimmten Winkelwertes ausgebildet ist.

15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnt, dass der Mikrocontroller zur Bestimmung des Quadranten anhand der Vorzeichen der Brückenspannungen ausgebildet ist.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller zur Linearisierung der Positionsberechnung zur Durchführung einer Offset-Korrektur der digitalisierten Signale anhand gespeicherter Offset-Werte ausgebildet ist.

17. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung derart ausgebildet ist, dass deren Ausgangssignale zueinander um etwa 90° phasenverschoben sind.

18. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung eine elektrische Sitzverstellung ist.