BRPI0612438A2 - aparelho para prover um sinal de saìda, e método para determinar a posição de parte de uma parte móvel - Google Patents
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Abstract
APARELHO PARA PROVER UM SINAL DE SAIDA, E MéTODO PARA DETERMINAR A POSIçAO DE PARTE DE UMA PARTE MóVEL. Um condicionador de sinal para um sensor de posição indutivo inclui um estágio de divisão analógico e uma circuitagem para somar um valor pré-armazenado ao sinal de saída, e deixá-lo conforme a especificação requerida. Um circuito comparador compara a voltagem de sinal de saída com os valores de plató superior e inferior armazenados e fornece a voltagem de saída, quando esta estiver entre os valores de plató, e os valores de platósuperior e inferior, quando o sinal chega nestes valores.
Description
"APARELHO PARA PROVER UM SINAL DE SAÍDA, MÉTODO PARADETERMINAR A POSIÇÃO DE PARTE DE UMA PARTE MÓVEL".
Campo da Invenção
A presente invenção se relaciona a um sistema decondicionamento de sinal para um sensor indutivo,tal como um sensor indutivo de não-contato para medira posição de uma parte móvel, tal como a posiçãorotacional de uma parte articulada, por exemplo o pedaldo acelerador de um veículo.
Histórico da Invenção
Sensores de posição são amplamente usados em umavariedade de aplicações, tal como em veículos a motor,tal como automóveis, são providos com um controle operadopor usuário para controlar a velocidade do motor.
Tipicamente, controles operados por usuário compreendemum pedal, na extremidade inferior de um braço de pedal,que tipicamente é chamado "pedal do acelerador". 0 pedaldo acelerador prove um sinal de controle de aceleradorque é transmitido do pedal do acelerador para umaborboleta associada ao motor.
Convencionalmente,deve haver uma conexão mecânica entre o pedal doacelerador e a borboleta do motor, e o sinal de controlede acelerador sendo um sinal mecânico. No entanto,percebe-se uma tendência em direção a sistemas decontrole de acelerador controlados eletronicamente(Sistemas "Fly-By-Wire") nos quais o pedal do acelerador,ou um outro controle operado por usuário estabelece umacomunicação elétrica com a borboleta do motor, em qualcaso o sinal de acelerador é um sinal elétrico.
Nesta e em outras aplicações, o sinal de qualquer sistema sensordeve atender a certas especificações. Portanto, há umademanda para um condicionador de sinal que aceite sinaisde um sensor, tal como um sensor de posição indutivo queforneça um sinal com certas características desejadas.
Sumário da Invenção
Um sensor indutivo de posição inclui uma bobinatransmissora energizada por uma fonte de correntealternada para produzir um fluxo eletromagnético euma bobina receptora recebe este fluxo e gera um sinal dereceptor, variável com a posição de um elemento acoplador(rotor) que é suportado paralelo próximo e adjacente àsbobinas transmissora e receptora. 0 elemento acopladordeve ser móvel com a parte cuja posição se deseja medir.
Em uma configuração preferida da invenção, um sensorindutivo de posição tem uma terceira bobina, uma bobinade referência que gera um sinal de referência dado pelofluxo portador, mas tal bobina deve ser enrolada de modoa não ser afetada pela posição do elemento acopladorque se deseja medir.
Para um sensor rotacional, o sinalde referência deve ser substancialmente não afetado pelaorientação angular do elemento acoplador, mas variarcom a folga entre o acoplador e a bobina de referência,para compensar o sinal de saída quanto a variações deparâmetros de montagem, tal como folga. Preferivelmente,a bobina de referência tem uma estrutura diferencialde modo que, sem o elemento acoplador, as voltagensinduzidas em diferentes porções da bobina se cancelam, eo sinal de referência fica próximo de zero. Em certoscasos, o sinal de referência não é necessariamente zero,quando o acoplador é removido, para compensar melhoras variações de folga entre as bobinas e o elementoacoplador.
A bobina receptora também pode ter umaestrutura diferencial, de modo a não haver um sinal dereceptor sem o elemento acoplador. No entanto, quandohouver um elemento acoplador, o sinal de receptordeve ser muito sensível à sua posição.
Um condicionador de sinal para um sensor indutivo deposição inclui um estágio divisor analógico e umacircuitagem para soma de um valor pré-armazenado parao sinal de saída para trazê-lo conforme a especificaçãorequerida. Um circuito comparador compensa a voltagem desinal de saída com valores de platô superior e inferior efornece o sinal de voltagem quando ele estiver entre osvalores de platô, e os valores de platô superior einferior quando o sinal atingir estes valores.
Um aparelho, tal como um sensor de posição de acoplamentoindutivo para prover um sinal de saída correlacionado coma posição de uma parte móvel em uma faixa posicionai,compreende uma bobina transmissora que gera um campoeletromagnético, quando excitado por um sinal deexcitação, e uma bobina receptora localizada próxima àbobina transmissora, a bobina receptora gerando um sinalde receptor, quando a bobina transmissora está excitadadevido a um acoplamento indutivo entre a bobinatransmissora e a bobina receptora. 0 sinal de receptorsendo correlacionado com a posição da parte móvel quese deseja medir. Preferivelmente, uma bobina dereferência provê um sinal de referência substancialmenteindependente da posição da parte, e a bobina dereferência provê um sinal de referência substancialmenteindependente da posição da parte.
0 sinal de receptor eo sinal de referência é levado para um condicionador desinal que inclui um divisor analógico para gerar um sinalde razão a partir do sinal de receptor e do sinal dereferência. 0 sinal de saída é obtido a partir do sinalde razão e pode depender substancialmente linearmente coma posição da parte em faixa posicionai do aparelho. Asvoltagens de platô (fixadas), e também as curvas de ganho(inclinação do sinal de curva) versus posição (ângulo oudistância), podem ser ajustadas por resistoresajustáveis.
A posição de parte pode ser um ângulo de rotação,o ângulo de articulação de um pedal de aceleradoreletrônico de um automóvel, por exemplo. 0 elementoacoplador é usado para modificar o acoplamento indutivoentre a bobina transmissora e a bobina receptora.
0 condicionador de sinal pode adicionalmente incluir umgrampo de voltagem, de modo que o sinal de saída tenhauma voltagem de platô inferior e uma voltagem platôsuperior. 0 condicionador de sinal pode adicionalmenteincluir um circuito lógico, por exemplo incluindo umamemória não-volátil de longo termo, tal como um arranjozener para guardar ajustes de calibração. 0 ajuste decalibração pode ser um ajuste de voltagem somado ao sinalde saída. 0 ajuste de voltagem na memória não-volátil eum ajustador de nível terra virtual em comunicação com amemória não-volátil podem ser usados para ajustar o sinalde saída. As bobinas receptoras, a bobina de referência,a bobina transmissora, e o condicionador de sinal, podemser todos dispostos em uma única placa de circuito.
Descrição Resumida dos Desenhos
A descrição faz referência aos desenhos que acompanhama presente especificação, nos quais:
a figura IA é um diagrama de blocos simplificadode um sistema de condicionamento de sinal;
a figura IB é uma diagrama esquemático simplificadode um conjunto de bobina;
a figura 2 é um diagrama de blocos de um condicionadorde sinal analógico;
a figura 3 é diagrama de blocos de um condicionadorde sinal com divisão analógica;
a figura 4 é um diagrama de blocos de um condicionadorde sinal com divisão analógica e suporte lógico;
a figura 5 é um gráfico mostrando variação da voltagemde saída devido à soma de voltagem armazenada a partir deum RAM estático;
as figuras 6A e 6B são diagramas esquemáticos de umacircuitagem para mudar voltagem e fixar o sinal de saídapara deixa-lo conforme as características desejadas,as figuras 7 e 8 mostram outras configurações comsuporte lógico;
a figura 9 é um diagrama esquemático para um ajuste deterra virtual usando comutação zener; e
a figura 10 é um layout muito simplificado de um móduloeletrônico, de acordo com um exemplo da invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
Um condicionador de sinal de acordo com as configuraçõesda presente invenção recebe um sinal de receptor eo utiliza para prover um sinal de saída linearproporcional à posição da parte que se deseja medir.Para automóveis, tal como em um acelerador eletrônico,o sinal de saída pode ser ajustado para se conformar a umajuste padrão para aquele veículo em particular, edeve ser substancialmente não-afetado pelas variações deprodução que ocorrem na folga entre o elemento acopladore o conjunto de bobina, ou outros sinais de modo comum.
É desejável que o condicionador de sinal seja tão simplesquanto possível, tenha custo baixo, de operaçãoconfiável, e evite o uso de componentes mais caros.
Um condicionador de sinal preferivelmente inclui umafonte excitatriz para a bobina transmissora, tal como umoscilador Colpitts, onde a bobina transmissora éo componente indutivo. O condicionador de sinal recebepelo menos um sinal de receptor e um sinal de referênciae os amplifica. Os sinais podem ser multiplicados pelavoltagem de excitação para facilitar detecção de sinal.
As saídas dos multiplicadores passam em um filtro passa-baixo, e as duas saídas são divididas para efetivamentecorrigir a saída da bobina receptora quanto a variaçõesde modo comum detectadas pela bobina de referência.
0 sinal de referência é usado para corrigir o sinal dereceptor quanto a efeitos de modo comum, tal comovariações de folga entre o elemento acoplador e umconjunto de bobina.
A bobina transmissora, a bobinareceptora e a bobina de referência podem ser instaladasem um substrato comum de um conjunto de bobina, tal comoem uma placa de circuito impresso próximo ao elementoacoplador que é mecanicamente acoplado à parte cujaposição se deseja determinar.
A separação entre oconjunto de bobina e o elemento acoplador inerentementevaria na fabricação, e esta separação pode serprontamente corrigida usando uma bobina de referência comestrutura diferencial.
A bobina de referência também podeser usada para corrigir os sinais de modo comum,tal como, voltagem induzida por dispersão, temperatura, evariações de energia de transmissor.
Em um sensor de posição rotacional, a bobina receptoraalternativamente pode ser chamada "modulador rotacional",a medida que o sinal de receptor varia com a posiçãorotacional do elemento acoplador. A bobina de referência,se tiver estrutura diferencial, pode ser chamada"modulador axial", a medida que o sinal de referênciavaria com separação axial do conjunto de bobina eelemento acoplador, mas não com a posição rotacional doelemento acoplador. A bobina transmissora também pode serchamada "bobina excitatriz".
Em uma configuração preferida, as saída da bobina dereferência e receptora são ambas retificadas(amplifiçadas e detectadas), através de multiplicação comsinal de referência ou alternativamente retificada,usando sinal de excitação, i.e. a partir do osciladorColpitts. As saídas detectadas passam através de umfiltro passa-baixo, e daí são encaminhadas para umdivisor analógico. 0 divisor essencialmente corrigeo sinal de modulador rotacional quanto a variações nafolga entre o rotor, que acopla os sinais portadores aomodulador rotacional e ao modulador axial, e é suportadoem relacionamento paralelo próximo a um substrato, quesuporta as outras bobinas. Uma variação na folga entreo rotor e as bobinas, que pode ocorrer em fabricação,é normalizada pelo divisor analógico, como variação demodo comum, tal como um sinal induzido randomicamente,variação de voltagem de fonte elétrica, etc.
Esta voltagem analógica então pode ser somada ao sinal derazão para variar o sinal de saída de sensor conforme umaespecificação de sinal desejada, por exemplo comorequerido por outros componentes eletrônicos automotivos,no caso de um sensor de acelerador eletrônico.
A voltagem analógica é gerada durante um processo decalibração inicial e pode ser armazenada em digital em umarranjo de diodos zener (que atua como RAM estático) ouRAM normal estático e pode ser convertido para analógicopara soma ao sinal original. 0 sinal de saída então éajustado por um amplificador diferencial usando o ajustede voltagem armazenado. 0 sinal então é provido para umgrampo de voltagem que fixa os limites superior einferior do sinal, comparando o sinal com valoresarmazenados de valores de platô superior e inferior.
A faixa de voltagem de saída então pode ser fixada aosvalores de platô superior e inferior. Um ajuste é usadopara ajustar a inclinação de ganho para um certo valor,usando resistores de ajuste. Um ajuste a laser deresistores pode ser usado, por exemplo, fundindo tiras decarbono, ou resistores variáveis rotativos de varrertradicionais também podem ser usados em algumasaplicações. Em uma aplicação de controle de aceleradoreletrônico de automóveis, esta etapa de ajuste éexecutada apenas uma vez na calibração de fábrica. Istopode ser efetivo onde for usado sensoreamento por razão.
Um processo de calibração de exemplo inclui a detecção deuma voltagem de sinal inicial, a convertendo em digitalusando um conversor analógico para digital e convertendoas voltagens de valores de platô superior e inferior quesão armazenadas em um arranjo de diodo zener (que atuamcomo RAM estático) ou RAM estático normal. Um circuitoentão compara a diferença entre o platô inferior ea voltagem de sinal inicial através de um circuito desuporte lógico, e armazena o valor no RAM estático.
Em operação normal, um multiplexador compreendendo um parde comparadores detecta a voltagem de sinal bruto ea compara com os platôs superior e inferior, de modo queo sinal de saída quer compreenda o sinal bruto, para oplatô superior - na extensão em que o sinal bruto estejaacima do platô superior, ou para o platô inferior -na extensão em que o sinal bruto esteja abaixo do platôinferior. Então, o sinal de saída pode ser provido paracontrolar o ganho de saída e definir valores de platôsuperior e inferior. Resistores de ajuste podem serprovidos para controlar o ganho de saída e definirvalores de platô superior e inferior.
Um condicionador de sinal de acordo com a presenteinvenção assim evita a necessidade de usar um microprocessador do tipo empregado em sistemas convencionais.Por exemplo, em uma aplicação convencional de aceleradoreletrônico, um microprocessador é usado para convertero sinal bruto em sinal compatível com o particular motordaquele automóvel. 0 microprocessador adiciona custocomplexidade, modos de falha, e atrasos de processamento.
No entanto, em configurações da presente invenção,são usados um conversor de baixo custo (alta resolução,de 8 bits ou menos) e memória não-volátil (tal comoRAM estático, em alguns casos poucos bytes).
O condicionador de sinal pode ser implementado em umapastilha ASIC, sem ser necessário processador, RAM,conversor analógico para digital (A/D), ou um circuito decompensação para temperatura. Por exemplo, um processadorde sinal convencional pode corrigir as variações detemperatura usando uma tabela de busca. No entanto,tal solução é complexa e propensa a erro. Adicionalmente,um sistema convencional não interessando o quão bemcalibrado inicialmente esteja, pode falhar devidoa mudanças geométricas por desgaste mecânico. Por exemploum afrouxamento nas articulações é um sério problema emuma aplicação de acelerador eletrônico convencional porsensor indutivo.
No entanto, sistemas de acordo com apresente invenção compensam automaticamente alteraçõesgeométricas, tal como folga nas articulações. Para o casode acelerador eletrônico, obteve-se uma excelentereproducibilidade de sinal para temperaturas acima dafaixa de -40°C a 80°C, uma variação de folga (entre umconjunto de bobina e um elemento acoplador) acima de 1 mme variações de queda de pivô acima de 1 mm. Para algumasaplicações, um número de bobinas independentes e/oucondicionadores de sinal associados pode ser provido compropósito de redundância e operação segura.
A figura 1 mostra um diagrama de blocos de um sistemasensor que compreende um oscilador 10, uma bobinatransmissora 12, um elemento acoplador 14 (não mostradoem detalhes), uma bobina receptora 16, e uma bobina dereferência 18. Para um sensor de rotação a bobinareceptora prove um sinal de receptor sensível à posiçãoangular do elemento acoplador. A bobina de referênciaprovê um sinal de referência que não é substancialmenteafetada pela posição angular do elemento acoplador.
0 sinal de receptor e o sinal de referênciasão amplificados pelos primeiro e segundo amplificadores(20, 22, respectivamente) e o sinal de receptor então édividido pelo sinal de referência em um divisor analógico24. A saída 26 é um sinal analógico. 0 condicionador desinal aceita dois sinais (sinal de receptor e dereferência) e os divide para obter um sinal de razão.
Este sinal de razão então é multiplicado pela voltagem defonte, para obter um sinal de saída independente davoltagem de fonte, o sinal de receptor é proporcional aoângulo do elemento acoplador em uma certa faixa angular,determinada pela configuração de bobina, enquanto o sinalde referência é substancialmente constante ao longo doângulo de curso do elemento acoplador. No entanto, ambossinais são comumente sensíveis a efeitos de modo comum(EMI), temperatura, e (em alguns casos) a tolerânciasmecânicas, tal como uma folga entre o elemento acopladore o conjunto de bobina. 0 processamento de sinal porum circuito analógico para obter o sinal de razão evitaum atraso de processamento digital que requereria umaconversão analógica para digital.
Em uma configuração preferida, a bobina receptora ebobina de referência são feitas com técnicas de circuitoimpresso no mesmo substrato com uma bobina transmissora,que é energizada por corrente alternada e, por exemplo,que pode ser parte de um circuito de oscilador Colpitt,que gera voltagem senoidal, qual circuito pode ser partede um aparelho de condicionamento de sinal.
Sensores indutivos apresentam boa imunidade a camposelétricos ou magnéticos, mas são geralmente vistos comovulneráveis ao fenômeno de batimento. O batimento ocorreentre freqüências similares, i.e. entre o circuitotransmissor e o circuito oscilador sensor, e resulta emfreqüências de soma e subtração. A freqüência baixa dafreqüência de subtração é relativamente difícil defiltrar. Uma solução é usar a tendência natural de doisosciladores para obter a mesma freqüência, um mecanismoadaptativo conhecido como "Fenômeno Relógio de Huygens"(Huygen's Clock Phenomen) ou Sincronização de Travamento(Lock In Sincronization). No entanto, uma adaptação dafreqüência de ressonância requer um ressonante baixo defator-Q. 0 batimento é um sinal de modo comum para ambas,bobina receptora e bobina de referência, e a solução porrazão da presente invenção permite quaisquer componentesde freqüência comum nos sinais de referência e dereceptor sejam desconsiderados. Então, não há limitesuperior no fator-Q de oscilador, aumentando eficiência elevando a uma operação de sistema de baixo ruído.
0 fator-Q pode ser cerca de 30 ou mais, em relação acerca de 20 dos sistemas convencionais.
0 condicionador de sistema é ruído baixo. Um processoanalógico puro pode ser usado reduzindo consideravelmenteEMC em relação a um processo digital. 0 sensor indutivopode ser provido com pelo menos um tanque paralelopassivo, que é ressonante em freqüências em uma faixa dequalquer teste apropriado de imunidade à radiação. Umabobina sensível de exemplo tem uma freqüência deressonância entre 20 e 2 00 MHz, enquanto um teste deimunidade à radiação varre de 150 Kal GHz. 0 sensorpode ter LPF incorporado, e as freqüências de ressonânciada bobina receptora e bobina de referência se igualam.
A figura IB é um diagrama simplificado de um arranjo deexemplo com uma bobina transmissora (anéis externos 30),bobina receptora 34 (uma estrutura de roda lobulado comodado por 34), uma bobina de referência (diâmetro externomostrado em 36) e um elemento acoplador 32 (compreendendotrês placas eletricamente condutivas, aqui na frente doconjunto de bobina). A rotação do elemento acopladormodifica o acoplamento indutivo entre a bobinatransmissora e os lóbulos da bobina receptora. A bobinareceptora preferivelmente é configurada de modo a nãoproduzir nenhum sinal na ausência do elemento acopladordevido ao auto-cancelamento de vários potenciaisinduzidos.
A bobina receptora pode ser configurada, demodo que os potenciais induzidos nos lóbulos adjacentessejam opostos. Em um exemplo particular, a bobinareceptora inclui primeiro e segundo estruturas de Ioopconfiguradas, tendendo a se cancelarem o potencialinduzido. Cada estrutura de Ioop tem segmentoscircunferenciais no diâmetro externo alternando comsegmentos circunferenciais no diâmetro interno,a estrutura 34 mostrada na figura IB corresponde a umasobreposição das duas estruturas de Ioop. As conexões debobina não sendo mostradas aqui para efeito de clareza.
Aqui, DDi é o diâmetro interno da bobina de referência(modelo diferencial), e DEo é o diâmetro externo dabobina transmissora (ou bobina excitatriz).
A figura 2 mostra um diagrama simplificado de umaarquitetura analógica unificada. O sistema compreende umabobina de referência 40 (neste caso, um modelodiferencial DD) provendo um sinal de referência,uma bobina receptora 42 provendo um sinal de receptor,uma bobina transmissora (ou excitatriz) 46 energizadapor um sinal de excitação, primeiro e segundoamplificadores 46, 48, primeiro e segundo multiplicadores50, 52, filtros passa-baixo 54, 56, divisor analógico 58,um degerador de sinal 69, um amplificador trilho-para-trilho (rail-to-rail)60 e um grampo de voltagem 62. Estescomponentes, exceto as bobinas, podem ser incluídos em umASIC analógico, mostrados na referência 70.
Resistores externos 64, 66 são usados para ajustar partes de ganho etrava respectivamente, o sinal de saída sendo obtido em68. 0 sinal de saída é correlacionado com a posição deuma parte móvel, de modo que o condicionador de sinalatua como sensor de posição de parte. Uma aplicação éo sensor de posição para o pedal de acelerador deautomóveis.
Em operação, o sinal de referência é amplificado peloprimeiro amplificador, multiplicado pelo sinal deexctatriz, e filtrado em um filtro passa-baixo. 0 divisor58 recebe o sinal amplificado, multiplicado, e filtrado eprovê um sinal de razão. 0 sinal de razão passa atravésde um degerador de sinal 59 (opcional) que multiplicao sinal de razão por uma voltagem de fonte. 0 sinal derazão então passa através do grampo de voltagem 62, queimpede que o sinal de saída suba acima de um valor deplatô superior ou desça abaixo de um valor de platôinferior. Os valores de platô podem ser ajustados usandopares de resistores 66. Neste exemplo, a circuitagemanalógica é incluída em um ASIC analógico (70) e osresistores 64, 66 são externos ao ASIC, de modo queajustes de voltagens de platô e ganho sejam facilmenteconseguidos. 0 degerador de sinal é opcional e foiincluído para acompanhar a voltagem de fonte. Isto leva auma dependência de sinal de saída da voltagem de fonte,mas permite a traceabilidade da voltagem de fonte,se necessário.
As formas de onda, mostradas entre o filtro passa-baixo eo divisor, são sinais dependentes de posição possíveisa partir da bobina receptora e bobina de referência.
0 sinal de receptor tipicamente tem uma porçãorazoavelmente linear. As posições de ponto de travapreferivelmente suportam uma região linear do sinal dereceptor. 0 sinal de referência é substancialmenteindependente de posição. 0 sinal de razão algumas vezesé chamada curva característica (Curva C).
Para algumas aplicações, é requerida uma saídaindependente de variações de voltagem de fonte, eo degerador de sinal 59 é usado. 0 degerador de sinalpode ser um divisor analógico, um multiplicador, umachave analógica, etc.. Por exemplo, dividindo o sinal dodivisor analógico pela voltagem de fonte se obtém umsinal de razão independente da voltagem de fonte.
A figura 3 mostra uma configuração alternativa incluindotrês bobinas (40, 42, 44) e o circuito 70 como descritoacima em relação à figura 2. Nesta configuração, o sinalde razão passa de um ASIC analógico 7 0 para um circuitodigital 72, que pode ser implementado como ASIC digital.
O circuito digital 72 inclui um conversor analógico paradigital (ADC) 74 e um processador 76. Para aceleradoreletrônico, o ADC precisa apenas 8 bits se o ajuste deganho for feito no circuito analógico. 0 processador 76é usado para eliminar uma variação de parte para parte egerenciamento PWM. Neste exemplo, o processamento digitalsubstitui o grampo de voltagem.
A figura 4A mostra um diagrama de blocos para umcondicionador de sinal com um suporte lógico mínimo.
O ASIC analógico (100) é similar àquele descrito emrelação à figura 2, e o processo de divisão analógica nãoserá descrito aqui. Como tratado com respeito à figura 2,a saída do divisor analógico passa através do degeradorde sinal, que multiplica o sinal de razão para prover umavoltagem de fonte para remover o efeito de variações devoltagem de fonte no sinal de razão.
Neste exemplo, o sinal de razão é alimentado a umcircuito de suporte lógico 112, compreendendo conversoranalógico-digital 102, RAM estático 103, e multiplexador110. No entanto, outras resoluções poderão ser usadas.
O conversor analógico digital recebe uma voltagemarmazenada no RAM estático (103), que é armazenada eadicionada à saída do divisor analógico (sinal de razão) .
A voltagem de platô inferior armazenada no RAM estáticoé desenvolvida durante um procedimento de calibração, queserá descrito em mais detalhes mais adiante para deixaro sinal de saída na forma desejada. No caso de aceleradoreletrônico, a voltagem de platô inferior no RAM estáticoé usada para deixar o sinal de saída na forma requeridapelos subseqüentes equipamentos eletrônicos. Um byte podeser alocado no RAM estático para o sinal inicial medidona posição de zero nominal, antes de ajustado.
0 sinal de razão de voltagem alterada então passa parao amplificador trilho para trilho 104, que tem suaentrada ajustada por um divisor de voltagem empregandoum par de resistores variáveis que são ajustados durantecalibração e que operam para estabelecer os valores deplatô superior e inferior para o sinal. O grampo devoltagem 106 compara o sinal instantâneo com os valoresde platô superior e inferior, e a chave 108 conectada aomultiplexador 110 muda a voltagem de platô armazenadacomo sinal de saída. Similarmente, quando a voltagem desensor desce abaixo do platô inferior, o condicionador desinal supre a voltagem de platô inferior. Caso contrário,o sinal de saída é correlacionado com o sinal de razão.
As voltagens armazenadas no RAM estático sãodesenvolvidas durante um processo de calibração, quecompreende detectar a voltagem de sinal inicial e entãoconvertê-la para a forma digital no conversor analógico-para-digital. Também, as voltagens de platô superior einferior são convertidas para a forma digital através doconversor analógico-para-digital e armazenadas no RAMestático. A seguir, a diferença entre o valor de platôinferior e a voltagem de sinal inicial é comparada econvertida em voltagem analógica. Esta voltagem analógicaé armazenada de modo que possa ser somada ao sinal desensor por um amplificador trilho-para-trilho.
O valor inicial e o circuito de detecção de platôinferior não precisam fazer parte dos componenteseletrônicos de condicionamento de sinal, mas tambémpodem ser parte do equipamento de instalação usado nainicialização. Similarmente, um conversor analógico-para-digital e um conversor digital-para-analógico podem fazerparte do equipamento de instalação, e não do veículo.
A figura 4B mostra um diagrama de blocos para umcondicionador de sinal com suporte lógico mínimo. Nestaconfiguração, o circuito de suporte lógico 114 compreendeum arranjo zener para ajustar o sinal de razãomultiplexador 118 e conversor serial-para-paralelo 120para calibração.
O uso de um conversor serial-para-paralelo permite queos dados de calibração sejam fornecidos através de umúnico pino 122. Outras soluções de armazenamento de dadospodem ser usadas em lugar de um arranjo zener usado paraajustar terra virtual. Um circuito lógico de suporteseparado pode ser usado com um circuito analógico(tal como ASIC analógico) para o condicionador de sinal.
No entanto, circuitos lógicos como conversor serial-para-paralelo e um arranjo zener podem ser combinados comum circuito analógico em um único ASIC.
A figura 5 é um gráfico ilustra uma voltagem de saídainicial (I), e uma voltagem de saída alterada(ou ajustada) (S) em função da posição. Neste exemplo,o sinal alterado é maior que o sinal de saída inicial,devido à soma de voltagem armazenada. A voltagemarmazenada aumenta a voltagem de saída, de modo que aintersecção da voltagem de saída e o valor de platôinferior fiquem na posição desejada. Para uma aplicaçãode acelerador eletrônico, esta intersecção ocorre apósuma pequena fração de curso de pedal. À medida queo pedal é deprimido, a saída do condicionador de sinalpermanece na voltagem de platô inferior para uma pequenaquantidade de curso de pedal chamado platô ponto-morto eentão a voltagem de saída aumenta linearmente como ângulo de pivô de pedal até a voltagem de saída chegarna voltagem de platô superior. A voltagem de saída entãoé fixada na voltagem de platô superior, e não podeexceder o sinal de razão gerado por divisão analógica.
Então uma voltagem constante armazenada é somadaà voltagem de saída para obter a desejada posição deinclinação, e também ajusta a extensão de platô de ponto-morto, qual posição pode ser ajustada correspondendo a umajuste da voltagem de platô inferior usando um ajuste deterra virtual. Por exemplo, a terra virtual pode sercerca de 2,5 V em relação a um terra do chassi, para umafaixa de saída de voltagem de cerca de 0 a 5 V.
A calibração pode ser conseguida usando resistorescomutáveis em um ASIC na placa de circuito e precisa serfeito apenas uma vez durante a fabricação do sensor.
A figura 6 mostra um diagrama de blocos de umacircuitagem lógica para mudar e fixar o sinal de saída.
A figura mostra um par de resistores para ajustar paresde trava mostrados na caixa 140, 12 0, comparadores 142,144 que recebem a sinal de razão da divisão analógica,ADC e RAM estático (como mostrado com respeito à figura5) , um circuito de chaveamento 146, e um amplificadorsomador (somador analógico). A segunda entrada para cadacomparador compreende um divisor de voltagem incluindo umpar de resistores com um resistor variável, ajustadodurante a calibração. 0 RAM estático armazena um bytepara o sinal de platô inferior e um byte para o sinalinicial. Estes valores são somados ao sinal inicial paradesenvolver o sinal de saída para a circuitagem.
A voltagem de referência do conversor analógico-para-digital e a voltagem de platô inferior são conhecidas epodem ser programadas, i.e. colocadas na circuitagem.Somente o valor de sinal inicial precisa ser designadopara o RAM estático. 0 circuito de suporte lógico 114,discutido aqui com referência à figura 4B, pode ser usadoem lugar do circuito de suporte lógico 112 mostrado aqui.
Um exemplo de processo de calibração é dado a seguir.
A voltagem de sinal inicial a partir de divisão analógicaé determinada e convertida para a forma digital, usandoum conversor analógico-para-digital (ADC). As voltagensde platô superior e inferior também são convertidas paradigital com ADC e armazenadas em RAM estática.
Um circuito de suporte analógico, tal como um dispositivoeletrônico com processador, é usado para comparara diferença entre a voltagem de platô inferior ea voltagem de sinal inicial (por exemplo, para nenhummovimento de pedal ou com o elemento acoplador removido).A voltagem de diferença calculada como valor digital éconvertida em voltagem analógica e adicionada ao valor desinal usando um amplificador somador.
0 processo lógico seguido durante a operação serádescrito a seguir com respeito à figura 6. Se o primeirocomparador 142 estiver desligado e o segundo 144 ligado,a_voltagem de saída segue o sinal de razão, i.e.a_voltagem de sinal inicial é usada como saída. Se amboscomparadores estiverem ligados, a voltagem de platôinferior será tomada como saída. Se o segundo comparadorestiver ligado 3 e o primeiro desligado, a voltagem deplatô superior será tomada como saída. Outros casoslógicos podem gerar código de erro. Em aplicaçõesautomotivas, códigos de erro podem levar o veículo parao modo volta-para-casa.
A figura 7 mostra outra configuração com suporte lógico.O sistema compreende bobinas 40, 42, 44, ASIC analógico70 (o diagrama esquemático mostra oscilador Colpitt parabobina transmissora, cuja função foi descrita maisamplamente acima com respeito à figura 2). 0 sistemaainda inclui um circuito de suporte analógico 162 com RAMestático 164 e multiplexador 166, e um conversoranalógico-para-digital ADC 160.
Para um aceleradoreletrônico nesta configuração, o ADC preferivelmente temuma resolução de 10 bits. 0 circuito de suporte lógicopode ser usado para determinar um ou mais parâmetros:voltagem de platô, voltagem armazenada para ajuste devoltagem de saída, e inclinação de ganho.
0 suporte analógico não precisa ter uma configuração CPU integral,porque não são necessários registradores e controladoresde barramento. Nesta configuração, não são usadosamplificador trilho-para-trilho 60, e grampo de voltagem162 no ASIC analógico, e o sinal de saída é obtidoem 168.
A figura 8 mostra uma configuração de condicionador desinal adicional com suporte analógico. A figura mostraconjunto de bobina 180 (incluindo bobina de referência,bobina receptora e bobina transmissora) e condicionadorde sinal 182 compreendendo retificador sensível a fase186, divisor analógico 188, multiplicador analógico 190,oscilador 192, grampo de voltagem 194, ajustador de nívelterra virtual 196, circuito lógico 198, e conversorserial-para-paralelo 200. Um equipamento externo 202é usado para calibração, incluindo ADC/DAC 2 04 e detectorde nível de voltagem 205. O valor inicial e os valoresde platô inferior são obtidos a partir do equipamentoexterno e mostrados no circuito lógico 198, e usados paraajustar o terra virtual e, portanto, o nível de sinal desaída. Resistores 208 são ajustados de modo a estabelecertrava e níveis de platô superior. O sinal de saídaé aplicado através de carga 210.
A figura 9 é um diagrama esquemático para ajuste de terravirtual usando chaves zener, que produzem uma fonte devoltagem controlável. 0 circuito inclui um arranjo decomutadores zener (arranjo zener), tal como em 220. Umacomutação zener é usada para controlar a saída devoltagem do amplificador final 22 e sua saída 224 é usadacomo terra virtual ajustável. O arranjo zener atua comoRAM estático e o arranjo zener é um circuito dearmazenamento de dados preferido para suporte lógico.Outros circuitos de armazenamento de dados igualmentepoderiam ser usados.
Para armazenar dados de calibração,o armazenamento de dados preferivelmente é umarmazenamento permanente. Configurações da presenteinvenção também poderão ser usadas para sensores multi-espiras, nos quais um arranjo zener é interessante paraarmazenamento intermediário, por exemplo, para monitoraro número de rotações, tal como um contador lógico ou umRAM estático padrão. Um ajuste de voltagem, tal comopor soma, pode ser obtido usando circuitos analógicos,tal como um circuito amplificador operacional.
A figura 10 mostra um leiout muito simplificado de ummódulo eletrônico, de acordo com um exemplo da invenção.Um substrato comum 240, aqui uma placa de circuitoimpresso, compreende uma bobina transmissora, uma bobinareceptora, e uma bobina de referência impressa na placapara formar o corpo de bobina 242. 0 módulo eletrônico244, tal como um condicionador de sinal de acordo com apresente invenção, é suportado no substrato junto comresistores ajustáveis (246) e um capacitor Colpitts(250). A saida sendo feita por conectores 248. Um segundocondicionador de sinal 252 deve ser provido de modoredundante, mas se a saída de ambos condicionadores desinal não forem iguais, ocorre um estado de erro parao acelerador eletrônico, em qual caso, o veículo passapara o modo "volta-para-casa".
Aspectos Adicionais do Condicionamento de Sinal
A voltagem de saída pode ser não inteiramente linearmentedependente da posição. Um faixa utilizável de linearidadepode ser definida extrapolando para terra virtual quepode ser uma voltagem negativa em relação a terra.
0 sinal de razão pode ser formado como uma razão: sinalde receptor + A; e sinal de referência + B, onde o sinalde referência e o sinal de receptor se referem a umavoltagem de corrente contínua obtida, por exemplo,demodulando e passando em filtro passa-baixorespectivamente os sinais de receptor e de referência.
A e B se referem a correções de terra virtual devidoà linearidade assumida com respeito a uma respostaligeiramente não-linear. A largura da faixa linearutilizável pode ser determinada por uma especificaçãoprecisa. Os termos de correção AeB provavelmentesão similares e o mesmo valor pode ser usado para ambos.
Nos exemplos da presente invenção, resistores ajustadossão providos compreendendo resistores de controle deganho de saída e resistores para definir platôs superiore inferior que podem ser ajustados para dar ao sensorindutivo uma desejada faixa de voltagem de saída,por exemplo, uma voltagem que varia substancialmentelinearmente com o ângulo de rotação a medida queo elemento acoplador gira.
O condicionador de sinal pode incluir etapas de modulaçãoe demodulação. Em uma etapa de modulação, o sinalcorrelacionado com o ângulo rotacional do elementoacoplador é multiplicado pelo sinal de excitação ea etapa de demodulação inclui o uso de um retificadorsensível a fase para o sinal modulado. O uso de umcircuito sensível a fase pode dobrar a faixa linear doângulo medido. Também, um meio de sensor de razão deposição significa que o sinal demodulado é formado detal forma, que o sinal de saída seja muito menosdependente da voltagem de excitação.
Exemplos da presente invenção não requerem que outrosdados de calibração de temperatura sejam armazenados namemória, a medida que este fator de modo comum pode sercompensado com bobina de referência, sensor de razão.
As faixas de voltagem de saída podem ser ligadasaos valores de platô superior e inferior. Um ajuste éusado para ajustar a inclinação de ganho para um certovalor, usando resistores de ajuste. Um ajuste a laser deresistores pode ser usado, por exemplo, fundindo tiras decarbono, ou ainda resistores variáveis rotativostradicionais podem ser usados em certas aplicações.
Em uma aplicação automotiva de controle de aceleradoreletrônico, a etapa de ajuste deve ser executada apenasuma vez nos ajustes de fábrica.
Outras aplicações de sensores de posição indutivosincluem controle de acelerador eletrônico, válvula detubo de sucção, leitura de frenagem, direção, nível decombustível no tanque e seleção de marcha.
Um método para determinar a posição de uma parte móvelcompreende excitar uma bobina transmissora usandocorrente alternada; obter um sinal de receptor sensívelà posição de parte a partir de uma bobina receptora;obter um sinal de referência independente da posição departe; dividir analogicamente o sinal de receptor pelosinal de referência para obter um sinal de razão;adicionar um ajuste de voltagem para sinal de razão paraobter um sinal de saída; e fixar o sinal de saída entreníveis de platô superior e inferior, a posição de partesendo determinada a partir do sinal de saída.
Exemplos da presente invenção também incluem sensoresmulti-espiras. Um sensor multi-espiras pode compreenderuma pluralidade de bobinas receptoras, por exemplo usandobobinas multi-polos com um desvio angular uma da outra.Por exemplo, duas bobinas receptoras podem ser usadaspara prover sinais de receptor fora de fase comdiferentes faixas posicionais individuais. Sensores podemincluir um módulo eletrônico, um módulo ASIC paracondicionamento de sinal.
0 módulo eletrônico podecompreender uma placa de circuito impresso suportandobobinas, tal como bobina de referência, bobina receptora,e bobina transmissora que produzem um campoeletromagnético excitado por uma fonte de correntealternada. Para um sensor multi-espiras, um terra virtualpode ser ajustado pelo número de espiras (ou múltiplos demesmo ângulo de rotação), enquanto a história de rotaçãodo sensor é administrada por uma pilha lógica. A decisãode qual sinal de receptor usar é tomada pelo circuitológico.
Uma bobina de uma pluralidade de bobinas dereceptor é selecionada usando um multiplexador, quandouma pré-determinada voltagem de sinal for alcançada.Servidores múlti-espiras podem ser usados para determinarvelocidade, distância, etc..
Por exemplo, usando um elemento acoplador de 3 pólos,a faixa angular de uma única bobina receptora pode sercerca de 40 graus. O nível de terra virtual pode serestabelecido de acordo com o número de múltiplos destafaixa angular. A faixa angular do sistema sensor pode ser120 graus, usando três bobinas receptoras e administraçãode segmento.
A história de rotação pode ser armazenadana memória, por exemplo, através de uma operação de pilhacom uma estrutura de dados de lista ligada. Um ajustadorde terra virtual pode ser usado que é similar àqueleusado para ajuste da voltagem de platô.
Configurações da presente invenção incluem um sistema decondicionamento de sinal para uso com sensor indutivo denão-contato para medir a posição de uma parte móvel,tal como um pedal de acelerador articulado em aplicaçãoautomotiva, para gerar um sinal elétrico diretamenteproporcional à posição desta parte e, particularmente,a tal sistema de condicionamento de sinal que opera comsensor indutivo.
0 sensor indutivo preferivelmente tempelo menos dois enrolamentos compreendendo: uma bobinatransmissora para gerar um sinal portador; uma bobinareceptora para detectar o sinal portador modulado por umelemento acoplador associado com uma parte cuja posiçãose deseja medir; e uma bobina de referência, que recebeo sinal portador, mas que é enrolada de modo a não serafetada pela posição do rotor e gerar um sinal paracorrigir o sinal de modulador rotacional quanto avariações de folga entre o rotor e os três enrolamentos,assim como outros sinais de modo comum, tal comoflutuações de fonte.
A presente invenção não se restringe aos exemplos dadosacima que não limitam seu escopo. Métodos, aparelhos,composições, etc. descritos nesta serão consideradosapenas como exemplos não-limitantes para o escopo dainvenção, mas modificações, e outros usos poderão ocorreràqueles habilitados na técnica, sendo que o escopo destaserá dado apenas pelas reivindicações que se seguem.
Claims (19)
1.- Aparelho para prover um sinal de saída,correlacionado com uma posição de parte para uma partemóvel em uma faixa posicionai, caracterizado pelo fato decompreender:uma bobina transmissora, a bobina transmissoraproduzindo um campo eletromagnético, quando excitada porum sinal de excitação;uma bobina receptora localizada próxima à bobinatransmissora, a bobina receptora gerando um sinal dereceptor, quando a bobina transmissora for excitada porum acoplamento indutivo entre a bobina transmissora ea bobina receptora, o sinal de receptor sendo sensívelà posição de parte;uma bobina de referência provendo um sinal dereferência substancialmente independente da posição departe, o sinal de referência sendo induzido na bobina dereferência pelo campo eletromagnético produzido pelabobina transmissora quando a bobina transmissora forexcitada;um substrato comum suportando a bobina transmissora,a bobina receptora e a bobina de referência; eum condicionador de sinal recebendo o sinal dereceptor e o sinal de referência, o condicionador desinal incluindo um divisor analógico que gera um sinal derazão a partir do sinal de receptor e do sinal dereferência; eo sinal de saída sendo obtido a partir do sinal derazão.
2.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o sinal de razão dependersubstancialmente linearmente da posição de parte em umafaixa posicionai.
3.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a posição de parte serum ângulo de rotação.
4.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de adicionalmente compreenderum elemento acoplador tendo uma posição de elementoacoplador correlacionada com a posição de parte, eo acoplamento indutivo entre a bobina transmissora ea bobina receptora sendo sensível à posição do elementoacoplador.
5.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o condicionador de sinaladicionalmente incluir um grampo de voltagem;o sinal de saída tendo uma voltagem de platôinferior e uma voltagem de platô superior.
6.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de a voltagem de platô e umacurva de ganho serem estabelecidas por resistoresajustáveis.
7.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o condicionador de sinaladicionalmente incluir uma memória de longo termo;a memória de longo termo armazenando um ajuste devoltagem;o sinal de saída sendo obtido a partir do sinal derazão e do ajuste de voltagem.
8.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de o ajuste de voltagem serinserido na memória de longo termo durante um processo decalibração.
9.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a memória de longo termoser um arranjo de comutação compreendendo diodos zener.
10.- Aparelho para prover um sinal de saída,correlacionado com uma posição de parte para uma partemóvel em uma faixa posicionai,caracterizado pelo fato de compreender:um conjunto de bobinas compreendendo uma bobinatransmissora, uma bobina receptora, e uma bobina dereferência;a bobina receptora provendo um sinal de receptor ea bobina de referência provendo um sinal de referênciaquando da excitação da bobina transmissora, o sinal dereceptor sendo sensível à posição de parte, e o sinal dereferência sendo substancialmente insensível à posição departe; eum condicionador de sinal recebendo um sinal dereceptor e um sinal de referência, o condicionador desinal incluindo um divisor analógico para gerar um sinalde razão a partir do sinal de receptor e do sinal dereferência;o condicionador de sinal provendo um sinal de saídacorrelacionado com a posição de parte, o sinal de saídasendo obtido a partir do sinal de razão.
11.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de o condicionador de sinaladicionalmente incluir um oscilador,o sinal de receptor e o sinal de referência sendoobtidos através da excitação da bobina transmissora pelooscilador.
12.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de o condicionador de sinaladicionalmente incluir um circuito para multiplicar umasaída a partir do divisor analógico por um sinal devoltagem de fonte.
13.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de o condicionador de sinaladicionalmente incluir um ajustador de nível de terravirtual,o sinal de saída incluindo um ajuste de voltagemcontrolado pelo ajustador de nível de terra virtual.
14.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de o ajuste de voltagemser armazenado em uma memória não-volátil, o ajustador denível de terra virtual se comunicando com a memória não-volátil.
15.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de a memória não-volátil serum arranjo zener.
16.- Aparelho, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de a bobina receptora, a bobinade referência, a bobina transmissora, e o condicionadorde sinal serem suportados em uma única placa de circuitoimpresso.
17.- Método para determinar a posição de parte de umaparte móvel, caracterizado pelo fato de compreenderas etapas de:excitar uma bobina transmissora usando uma correntealternada;obter um sinal de receptor a partir de uma bobinareceptora, o sinal de receptor sendo sensível à posiçãode parte;obter um sinal de referência substancialmenteindependente da posição de parte, o sinal de referênciasendo induzido em uma bobina de referência pelo campoeletromagnético produzido pela bobina transmissora,quando a bobina transmissora for excitada;dividir o sinal de receptor pelo sinal de referênciaem um circuito divisor analógico para prover um sinalde razão;somar um ajuste de voltagem ao sinal de razãopara obter um sinal de saída;fixar com grampo o sinal de saída entre os níveis deplatô superior e inferior; edeterminar a posição de parte usando o sinal desaída.
18.- Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de o ajuste de voltagemser somado ao circuito de razão por um somador analógico;
19.- Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de o ajuste de voltagemser armazenado em uma memória não-volátil.
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