Beschreibung

Positionssensor und Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors.

Ein wichtiges Einsatzgebiet für Positionssensoren betrifft das Feld der Automatik-Getriebe in Kraftfahrzeugen. Hier gilt es, einen jeweiligen Fahrmodus Park, Reverse, Neutral, Drive bzw. P, R, N, D sowie zusätzliche Fahrmodi 2, 3, 4 als Posi ^¬ tion mittels eines Positionssensors zu ermitteln, der hier auch als Wählbereichssensor bezeichnet wird.

Als weitgehend verschleißfreie Positionssensoren werden hier ^¬ zu elektrisch auswertbare Positionssensoren beispielsweise auf Basis von Hall-Elementen verwendet. In einer bekannten Vorrichtung ist zur Ausbildung eines Positionssensors eine Reihe von Hall-Elementen in linearer Anordnung vorgesehen, über der ein Schlitten berührungslos hinweg bewegt wird. Der Schlitten ist in Bewegungsrichtung je Hall-Sensor mit einem Streifen aus Permanentmagneten bestückt, wobei diese Streifen bit-codiert sind. Jedes Hall-Element steht somit in jeder möglichen Stellung des Schlittens mit dem magnetischen Feld eines Permanentmagneten in Kontakt, wodurch sich jeweils ein mehr oder weniger starkes Messsignal ergibt. Auf Basis dieses Messsignals jedes der Hall-Elemente wird durch eine Auswerte ^¬ elektronik auf eine aktuelle Position des Schlittens ge- schlössen. Weiterhin werden diese Signale in der Auswerteelektronik diskret, d.h. prozessor-unabhängig, dekodiert, um eine frühzeitige Anlassfreigabe zum Motorstart zu ermögli ^¬ chen. Die eindeutigen Positionen P und N dienen als freigebendes Bitmuster. Jede andere Position verhindert das Anlas- sen des Fahrzeugs.

Als sog. Wählbereichsschalter werden derartige Sensoren auch für einen Betrieb im Innenraum einer Maschine ausgelegt, also für einen Einsatz innerhalb eines Getriebes. Ausgangssignale der Positionssensoren werden von der elektronischen Schaltung ausgewertet, mit der die Positionssensoren elektrisch verbunden werden müssen. Eine derartige Verbindung wird in verschiedenen Ausführungsformen durch eine flexible Folie, ein Stanzgitter, oder aber einen Kabelbaum realisiert. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbindung zwischen Positionssensoren und einer jeweiligen Auswerteelektronik zu verbessern .

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei in einem Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors mit mindestens zwei Hall-Elementen, die berührungslos von einem Schlitten überstrichen werden, wobei der Schlitten in Bewegungsrichtung je Hall-Sensor einen Streifen aus Permanentmagneten trägt und die Streifen bitcodiert sind, vorgesehen, dass die Ausgangssignale von je- weils zwei Hall-Elementen zusammengefasst werden. Aus zwei Primärsignalen wird also ein Sekundärsignal gebildet, das nachfolgend zur Positionsbestimmung ausgewertet wird. Dabei liegen diese beiden Hall-Elemente bzw. Zellen vorzugsweise direkt zueinander benachbart. Während also nach dem Stand der Technik das Zustandssignal einer jeden Hall-Zelle analog sta ^¬ tisch übertragen wurde, wird erfindungsgemäß nun ein neues Sekundärsignal aus zwei Ausgangssignalen benachbarter Hall- Elemente durch Zusammenfassung von zwei Primärsignalen gebildet. Diese Reduzierung von Signalleitungen stellt eine Ver- besserung dar, weil nun Verbindungen zwischen einem Positionssensor und einer zugehörigen Auswerteelektronik weniger umfangreich ausfallen. Flexible Folien, Stanzgitter, oder a- ber Kabelbäume, auf jeden Fall aber Steckverbindungen können damit bei höherer Zuverlässigkeit und geringerem Aufwand her- gestellt werden. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass eine Anordnung einer Auswerteelektronik in der hochtemperierten und aggressiven Umgebung eines Getriebes kostspielig und auf-

wändig ist, werden vermehrt Auswerteelektroniken wieder außerhalb eines Getriebes angeordnet. In diesen Fällen ist die Breite eines Datenbusses oder einer Versorgungs- und Messlei ^¬ tung für den Preis und die Zuverlässigkeit eines Positions- sensors von hoher Bedeutung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Spannungsbänder wie folgt neu strukturiert: vier Bänder geben die vier möglichen binären Schaltzustände der beiden HaIl- Elemente wieder. Diese vier Spannungsbänder werden durch drei Zwischenbänder bzw. logisch Undefinierte Bereiche voneinander getrennt. Am oberen und unteren Ende auch dieser Spannungs ^¬ skala befinden sich die beiden Bänder für einen jeweiligen Kurzschluss-Fall . Nach dem Stand der Technik weist dagegen jedes voll diagnostizierbare Ausgangssignal eines Hall- Elements fünf aneinander liegende Spannungsbänder auf: Zwei Spannungsbänder entsprechen den zulässigen Datensignalen. Zwischen diesen beiden Bändern liegt ein logisch Undefinierter Bereich. Am oberen und am unteren Ende der Spannungsskala liegen jeweils die so genannten Kurzschluss-Bereiche mit ei ^¬ ner leitenden Verbindung zur Versorgungsspannung bzw. nach Masse. Der Kurzschluss-Bereich und der Undefinierte Bereich geben nach dem Stand der Technik alle möglichen Fehlerfälle wieder. Damit ist der Aufwand erfindungsgemäß gegenüber Vor- richtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik deutlich gemindert .

Vorzugsweise sind die Streifen von Permanentmagneten an dem Schieber gegenüber benachbarten Streifen gemäß einer Gray- Codierung ausgebildet. Damit wird jede Positionsänderung durch genau eine Bit-änderungen angezeigt. Ein jeder Positionsübergang ist damit zweifelsfrei erkenn- und detektierbar . In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Streifen (7) von Permanentmagneten (8) an dem Schieber (6) gegenüber be- nachbarten Streifen (7) so angeordnet, dass jede Positionsänderung durch gleich zwei Bit-änderungen angezeigt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt an die Hall-Elemente anschließend eine binäre Codierung des sich ergebenden Sekundärsignals über ein Widerstandsnetzwerk. Dieses Widerstandsnetzwerk ist so ausgelegt, dass in Verbindung mit einer nachfolgenden Auswerteelektronik auch alle Diagnose-Spannungsbänder erfasst werden. Dadurch, dass nun statt 4 nur 2 Signale übertragen werden, reduziert sich der Schaltungsaufwand sowohl auf dem Sensorträger, als auch an der Auswerteelektronik. Nach dem Stand der Technik benötigt jeder Signalausgang eines reinen Primärsignals zwei Widerstände, um die Spannungsbänder darstellen zu können. Durch die paarweise Zusammenlegung von Primärsignalen zu je einem Sekundärsignal entfällt ein Widerstand pro Hall-Zellen-Paar. Empfangsseitig bzw. auf der Seite der Auswerteelektronik müssen nur noch halb so viele Eingangssignale geschützt, gefiltert und er ^¬ fasst werden. Dadurch können in einer Schaltung pro Hall- Zellen-Paar zwei Kondensatoren und ein Widerstand entfallen. Auf der Prozessorseite wird innerhalb der Auswerteelektronik pro Hall-Zellen-Paar außerdem ein analoger Messeingang frei.

Ferner ist trotz der zu je einem Sekundärsignal zusammenge- fassten Primärsignale eine direkt diskrete Dekodierung mög ^¬ lich. Hierdurch wird eine einfache Anlassfreigabe realisiert. Voraussetzung hierzu ist eine geeignete Reihenfolge der HaIl- Zellen bzw. Hall-Elemente, d.h. eine Zusammenfassung der Primärsignale in der Form, dass die Spannungsbänder für P- und N-Position dicht nebeneinander liegen. Dadurch müssen statt bisher 4 nun nur noch 2 Signale mit dem P- und N-Muster verglichen werden.

Vorteilhafter Weise wird eine erfindungsgemäße Sensoranord ^¬ nung über ein spannungsbegrenzendes und/oder spannungsregeln- des Schaltteil an eine Spannungsversorgung der Aktuatoren des Getriebes angeschlossen. Durch eine Zener-Diode, einen Va- ristor, einen Spannungsregler, einen Spannungsteiler oder dergleichen kann somit eine ohnehin vorhandene und in das Ge ^¬ triebe hineingeleitete Versorgungsspannung gleichzeitig zur

Versorgung der Hall-Elemente verwendet werden. Dagegen wird nach dem Stand der Technik je eine separate Leitung für die Versorgungsspannung der Hall-Sensoren benötigt. Ein jeweiliger Ausgang zur übermittlung von Messsignalen an eine Auswer- teelektronik ist kurzschlussfest und verpolungsgeschützt aus ^¬ zuführen. Dabei befinden sich bereits nach dem Stand der Technik auch Aktuatoren in der Regel innerhalb eines Sensorträgers, wobei für die Aktuatoren bereits eine positive, un ^¬ geregelte Versorgungsspannung im Getriebe vorgesehen ist, die in der Regel deutlich über der Sensorversorgungsspannungsebe- ne liegt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kann aufgrund der Integration auf eine Kurzschlussfes ^¬ tigkeit sowie einen Verpolschutz der Sensorversorgung verzichtet werden.

Weiterhin kann auf die nach dem Stand der Technik erforderliche zusätzliche Pufferung der Sensorversorgung verzichtet werden. Es liegt zwischen der Auswerteelektronik als Energiequelle und dem Sensorträger mit den Hall-Elementen auch schaltungstechnisch gesehen keine große Entfernung. Damit kann ein Kondensator eingespart werden.

Durch eine hier paarweise vorgenommene Zusammenfassung von mehreren Primärsignalen als Ausgangssignale der Hall-Elemente des Positionssensors über ein Widerstandsnetzwerk wird die

Zahl der Anschlüsse an dem Positionssensor verringert. Außerdem wird die Zuverlässigkeit der Schnittstellenverbindung erhöht, da insgesamt Schnittstellen entfallen. Bei einer übermittlung von Sensor-Ausgangssignalen nach der vorstehend be- schriebenen Signalaufbereitung an eine außerhalb des Getriebes gelegene Auswerteelektronik können nun Steckverbinder mit einer geringeren Pol-Anzahl verwendet werden. Hierdurch lassen sich neben einer Steigerung der Zuverlässigkeit derartiger elektrischer Verbindungen auch Kostensenkungspotentiale erschließen.

Bei Verwendung der sensorinternen Spannungsbegrenzung erhöht sich darüber hinaus der Eingangsspannungsbereich des Positionssensors. Dabei wird der Schaltungsaufwand für die Sensor ^¬ spannungsversorgung reduziert, wobei zusätzlich noch ein An- Schluss bzw. Pol im Bereich der Schnittstelle bzw. des Ste ^¬ ckers entfällt.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungs ^¬ gemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausfüh- rungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer elektrischen

Schaltung eines Positionssensors mit Hall-Elementen und einer angeschlossenen Auswerteelektronik und

Figur 2: ein Diagramm zur Darstellung der Struktur der verwendeten Spannungsbänder bei statischer, analoger Signalübertragung.

Figur 1 zeigt als schematische Darstellung eine elektrische Schaltung 1 aus einem Positionssensor 2 mit einer Auswerteelektronik 3, die über eine Schnittstelle 4 angeschlossen ist. Die Schnittstelle 4 stellt zudem eine elektrische Ver- bindung des Positionssensors 2 mit einer Aktuator-

Spannungsversorgung V _DD und einem gemeinsamen Bezugspotential für Masse GND her.

Der Positionssensor 2 umfasst im vorliegenden Ausführungsbei- spiel Hall-Elemente H ₁ , H ₂ , H _n , H _n+ I . Die Hall-Elemente H ₁ , H ₂ , H _n , H _n+ i sind über ein spannungsbegrenzendes oder spannungsre- gelndes Schaltteil 5 an die Aktuator-Spannungsversorgung V _DD angeschlossen, so dass ein zu diesem Zweck in bekannten Vorrichtungen vorgesehener zusätzlicher Kontakt im Bereich der Schnittstelle 4 entfallen kann.

Ein beweglicher Schlitten 6 steht berührungslos mit der Reihe von Hall-Elementen Hi, H ₂ , H _n , H _n+ I in Kontakt über magnetische Felder, wobei der Schlitten 6 in Bewegungsrichtung S je Hall- Sensor mit einem Streifen 7 aus bit-codierten Permanentmagne- ten 8 versehen ist. Die Streifen 7 von Permanentmagneten 8 an dem Schlitten bzw. Schieber 6 sind gegenüber jeweils benachbarten Streifen 7 gemäß einer Gray-Codierung ausgebildet und angeordnet. Damit wird erreicht, dass jede Positionsänderung des Schlittens 6 über den Hall-Elemente Hi, H ₂ , H _n , H _n+ I durch jeweils eine Bit-änderung angezeigt wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst jeder Streifen 7 insgesamt 16 Permanentmagneten 8, um die in einem modernen Automatikgetriebe auftretenden Zustände abzubilden. Je nach Schaltstellung bzw. Position eines Streifens 7 an dem Schlitten 6 über dem zugehörigen Hall-Elemente Hi, H ₂ , H _n , H _n+I wird über das magnetische Feld in einem jeweiligen Hall-Element ein bestimmtes Ausgangssignal erzeugt.

Signalausgänge von jeweils zwei Hall-Elementen sind zur Addi ^¬ tion der jeweiligen primären Ausgangssignale zur Bildung jeweils eines Sekundärsignals zusammengefasst , wobei die Hall- Elemente jeweils direkt zueinander benachbart angeordnet sind. Die Ausgangssignale des Paars von Hall-Elementen Hi, H ₂ wird dementsprechend zu einem Sekundärsignal Al zusammenge- fasst, die Ausgangssignale des Paars von Hall-Elementen H _n , H _n+ i zu dem Sekundärsignal A2. An diese Paare von Hall- Elementen Hi, H ₂ und H _n , H _n+ i anschließend ist hierzu jeweils ein Widerstandsnetzwerk 9, 10 aus jeweils zwei seriellen Wi- derständen RSi und einem parallel geschaltetem Widerstand

RPDi zur binären Codierung des sich ergebenden Sekundärsignals Al, A2 vorgesehen.

Die Sekundärsignale Al, A2 werden nachfolgend über die Schnittstelle 4 an die Auswerteelektronik 3 übertragen. Die

Auswerteelektronik 3 besteht für jedes der eingehenden Sekundärsignale Al, A2 aus einem mit einer Referenzspannung V _re f

über ein RC-Netzwerk verbundene Signalverarbeitung SPl, SP2. Am Ausgang der Signalverarbeitungen SPl, SP2 liegen dann binäre Ergebniswerte vor. Die Tabelle von Figur 2 zeigt die Struktur der verwendeten Spannungsbänder.

Zusätzlich werden die Sekundärsignale Al, A2 in der Auswerte ^¬ elektronik 3 zusätzlich parallel in einer Dekodiereinheit DEC verarbeitet, deren Ergebnis eine prozessorunabhängige Anlass ^¬ freigabe ist. Diese Freigabe zum Anlassen des Fahrzeug-Motors wird dann gegeben, wenn von der Auswerteelektronik 3 eine N- oder P-Position über den Wählbereichssensor erkannt wird.

Der Index n zeigt in der Abbildung von Figur 1 an, dass diese Anordnung jeweils um gradzahlige Vielfache erweitert werden kann. Die paarweise Zusammenfassung bringt binäre Ergebnisse hervor, während beispielsweise eine Zusammenfassung von drei Hall-Elementen nach einer Tristate-Logik bzw. Drei-Zustands- Logik verarbeitet werden könnte.