DE3587014T2 - Verfahren und schaltung zur steuerung eines "flux-gate"-sensors. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches System zur Bereitstellung von Treibersignalen für einen "Flux-Gate"-Magnetsensor, der in Verbindung mit einem Automobil- oder Fahrzeugkompaß verwendet wird.
• Üblicherweise sind an Fahrzeugen angebrachte Kompasse von mechanischer Bauart mit rotierenden Kompaßrosen, die in einem viskosen Dämpfungsmittel angeordnet sind. Ein elektrischer Kompaß wurde in einem "SAE"-Artikel unter dem Titel "Magnetfeldsensor und seine Anwendung in Automobilen" 1980 von Hisatsugu Itoh beschrieben (SAE/SP-80/458). Dieser Kompaß benutzt einen "Flux-Gate"-Sensor und Festkörper-Schaltkreise. EPA-0 120 691 beschreibt einen Automobilkompaß, in dem ein "Flux-Gate"-Sensor verwendet wird und der eine digitale Bandpaß-Filterung benutzt, um die Signale des Sensors zu verarbeiten. Der Filter und das Kompaßsystem ist auch in US-A 4 424 631 beschrieben.
• Ein "Flux-Gate"-Sensor wird wie bekannt mit einer Grundfrequenz betrieben, und die Informationen werden aus den Amplituden- und Polaritätsänderungen der Frequenzsignale der zweiten Harmonischen erhalten, die von dem Sensor abgegeben werden. Um die Signale der zweiten Harmonischen genau zu erfassen, ist es notwendig, Synchron-Phasen-Detektoren zu verwenden, um sicherzustellen, daß die Information der zwei Kanäle synchronisiert ist, um die gewünschte vektorisierte Ausgangsinformation entsprechend dem Fahrzeugsteuerkurs bereitzustellen. In der Vergangenheit war entweder eine analoge oder eine digitale Filterung erforderlich, um ein sinusförmiges Signal der zweiten Harmonischen bereitzustellen, das verarbeitet werden kann, um die notwendige Information zu ergeben. Das digitale Filterungssystem hat sich bei der Bereitstellung der gewünschten Information jedoch nur mit dem Zusatz entscheidender Schaltkreiskosten für den digitalen Filter selbst und für damit zusammenhängende Schaltkreiselemente als erfolgreich erwiesen.
• Ein Beispiel aus dem Stand der Technik wird durch US-A-4 277 751 gegeben. Diese offenbart einen Magnetometer-Schaltkreis, der einen "Flux-Gate"-Sensor mit einer Primärwicklung und ein Paar von Sekundärwicklungen enthält. Die zwei Wicklungen sind diametral unter rechten Winkeln zueinander um den Kern gewickelt. Wenn der Kern in Reaktion auf ein Wechselstromsignal (AC-Signal) der Primär-(Treiber-)-Wicklung gesättigt wird, wird die Hälfte des Kerns auf der Seite, wo das Wechselfeld und das Erdmagnetfeld in dieselbe Richtung weisen, schneller gesättigt als die andere Hälfte. Indem dieses festgestellt wird, stellen die Wicklungen ein Maß für die Stärke des Erdmagnetfeldes bereit.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine etwas ähnliche Anordnung einer Primärwicklung und eines Paares von Sekundärwicklungen, um ein elektrisches Kompaßsystem für ein Fahrzeug bereitzustellen.
• EP-A-0 120 691 offenbart die Merkmale, die im kennzeichnende Teil von Anspruch 1 angeführt sind.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Kompaßsystem für ein Fahrzeug angegeben, das die Merkmale aufweist, die im kennzeichnende Teil des Anspruches 1 enthalten sind.
• Die Erfindung kann auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt werden, wobei ein Fahrzeugkompaß und sein Betriebsverfahren im folgenden als Beispiel unter Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
• Fig. 1 eine teilweise perspektivische Darstellung einer Anzeige- und Steuereinheit des Kompasses;
• Fig. 2 eine elektrische Schaltung des Kompasses, die teilweise als Blockbild und in schematischer Form dargestellt ist;
• Fig. 3 (mit den Unterfiguren 3A-3F) Wellenform-Darstellungen der Wellenform der elektrischen Spannungen an verschiedenen Positionen des in Fig. 2 gezeigten Schaltkreises; und
• Fig. 4 eine Draufsicht des "Flux-Gate"-Sensors, der schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
• Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, wo eine Steuer- und Anzeigeeinheit 10 gezeigt ist, die dazu vorgesehen ist, in ein Fahrzeug während der Herstellung integriert zu werden, wobei sie jedoch auch zu späterer Zeit separat ergänzt werden könnte. Die Einheit 10 ist am Dach 12 eines Fahrzeugs angebracht und in der Nähe der Oberkante der Windschutzscheibe 14, üblicherweise oberhalb des Rückspiegels zentriert. Die Einheit 10 enthält ein Paar von Karten-Leselampen 16 mit Schaltern 17 zum Betrieb der Lampenelemente, die hinter den Linsen 18 angeordnet sind und die in Abhängigkeit davon, welcher Schalter betätigt wird, direkt in den Mittelbereich entweder der Fahrer- oder der Beifahrerseite des Fahrzeugs leuchtet. Das Mittelteil der Einheit enthält einen Garagentür-Öffnungs-Sender 20, der einen Drei-Stellungen-Schalter 22 zur Betätigung von jeder der drei verschiedenen Garagentür- Fernbedienungs-Steuerungseinheiten durch die Betätigung des Druckknopf-Schalters 24 enthält. Die Einheit 10 kann auch einen elektrischen Sonnendach-Steuerschalter 25 enthalten. Der Aufbau der Lampeneinheiten 16 und der Garagentür-Sendereinheit 20 ist allgemein in US-A 4 241 870 beschrieben.
• Die Einheit 10 enthält zusätzlich eine separate Anzeigetafel 30, die Anzeigeelemente 31, 32, 33 und 34 zur Anzeige der Fahrzeug-Betriebsparameter, wie der Maschinentemperatur, des Öldrucks, Lichtmaschinen- und Treibstoffwarnsignal oder ähnliches enthält, die entweder in digitaler alpha-numerischer Form oder als Warnleuchten angezeigt werden können. Das Mittelteil der Anzeigeeinheit 30 enthält eine Digitalanzeige 35, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Oktantenanzeige 36 des Fahrzeugsteuerkurses in alphanumerischer Form und auf der linken Seite der Anzeige 35 eine Temperaturanzeige 37 bereitstellt, durch die eine Fahrenheit- oder Celsius-Grad-Anzeige der äußeren Umgebungstemperatur der Luft nahe dem Fahrzeug sowie ein Warnsignal bei Annäherung der Straßenbedingungen an den Gefrierpunkt gegeben wird. Der Temperatur-Anzeigeschaltkreis wird durch einen Druckknopf-Temperatur-Schalter 38 betätigt, wobei der Kompaß- Schaltkreis durch einen Druckknopfschalter 39 betätigt wird. Ein Paar von Öffnungen 40 und 41 stellen einen begrenzten Zugriff jeweils entsprechend zu den Kalibrierungs- und Veränderungsschaltern 42 und 44 bereit (siehe Fig. 2), die nur gelegentlich benutzt werden und als die Druckknopfschalter ausgebildet sind, die an einer Schaltungskarte 43 angebracht sind, die hinter einer Tafel 45 angeordnet ist, und die mit einem spitzzulaufenden Instrument wie einem Kugelschreiber betätigt werden (Fig. 2).
• Das Kompaßsystem enthält einen "Flux-Gate"-Sensor 50, der in den Fig. 2 (schematisch) und 4 gezeigt ist. Der Sensor 50 ist vorzugsweise auf der in Fig. 2 schematisch dargestellten Schaltungsplatine 43 angebracht, die auch die übrigen Schaltkreiselemente enthält, die in Fig. 2 gezeigt sind. Die Schaltungsplatine wird bevorzugterweise nahe dem Metallblech- Dach des Fahrzeugs angebracht, um den "Flux-Gate"-Sensor nahe dem Dach anzuordnen. Von dem Metalldach wird angenommen, daß es eine fluß-lenkende Wirkung auf das Erdmagnetfeld ausübt, was gegenüber anderen möglichen Anordnungen in einem Fahrzeug zu einer verbesserten Leistung des "Flux-Gate"-Sensors führt.
• Der Sensor 50 enthält einen Ringkern 58, um den die spiralförmige Primärwicklung 52, wie in Fig. 4 gezeigt, gewickelt ist. Der Ringkern 58 und die Wicklung 52 sind auf einem Kunststoff-Trageteil 51 angebracht, das den Kern zentriert und in Position in Bezug auf dieses hält und um das die Ost-/West- Sekundärwicklung 54 und die Nord-/Süd-Sekundärwicklung 56 gewickelt sind. Jede der Wicklungen 52, 54 und 56 besteht aus geeignet isoliertem Magnetdraht der Standardgröße Nr. 36. Die Primärwicklung 52 umfaßt ungefähr 52 gleichmäßig beabstandete Lagen dieses Drahtes, wobei jede der Sekundärwicklungen 54 und 56 ungefähr 400 Lagen dieses Drahtes umfassen. Das Trageteil 51 enthält Kerben 53, um die Sekundärwicklung in Bezug auf die Primärwicklung in einer Position zu halten. Jede der Wicklungen ist mit einem geeigneten Anschlußzapfen 55 abgeschlossen, der jeweils in das Trageelement 51 zur anschließenden Verbindung mit den elektrischen Schaltkreis- Komponenten eingebettet ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Der Ringkern ist ein Wickelkern, der im Handel von "The Magnetics Division of Spang Ind., Butler, Pennsylvania, U.S.A., Part No. 80653-1D042-02" erhältlich ist. Die äußeren und inneren Durchmesser des Kerns betragen jeweils entsprechend 23,8 mm (15/16 Inch) und 19,1 mm (3/4 Inch), und die Sekundärwicklungen 54 und 56 sind mit Außendurchmessern von jeweils entsprechend ungefähr 28,6 mm (1-1/8 Inch) und 31,8 mm (1-1/4 Inch) um das Trageteil 51 gewickelt.
• Der elektrische Treiberschaltkreis 60 zum Anlegen von Treibersignalen an die Primärwicklung 52 des Sensors 50 enthält ein Paar Festkörperschalter 62 und 64, die in einer Gegentaktanordnung gekoppelt sind. Die Schalter 62 und 64 umfassen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Transistoren, von denen der Transistor 62 den NPN- und der Transistor 64 den PNP-Typ aufweist. Der Transistor 62 ist ein "2N4401" und der Transistor 64 ist ein "2N4403", die beide im Handel erhältlich sind. Der Emitter des Transistors 64 ist mit einer Spannungsversorgung +V verbunden, die entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als geregelte 5-Volt Gleichspannungsquelle ausgebildet ist, während der Kollektor mit einem strombegrenzenden 160-Ohm-Widerstand 66 verbunden ist, der wiederum mit einem Eingangsanschluß 57 der "Flux-Gate"-Primärwicklung 52 verbunden ist. Die Basis des Transistors 64 ist mit dem Ausgang eines Treiber-Verstärkers 70 über einen 10-kΩ-Widerstand 68 verbunden. In ähnlicher Weise ist der Emitter des NPN-Transistors 62 mit der Systemmasse (0 V) verbunden, während dessen Kollektor über einen strombegrenzenden 160-Ohm-Widerstand 63 mit dem Anschluß 57 verbunden ist. Der Basisanschluß des Transistors 62 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 70 über einen 10-kΩ-Widerstand 65 verbunden. Der verbleibende Anschluß 59 der Primärwicklung 52 des Sensors 50 ist mit einer getrennten Masse 61 verbunden, die die Hälfte der Leistungsversorgung +V oder +2,5 V Gleichspannung beträgt. Parallel zu der Primärwicklung 52 bzw. in den Emitter-Kollektor-Strompfaden der Transistoren 62 und 64 ist ein Stromsteuerwiderstand 69 angeschlossen, dessen Wert so ausgewählt wird, daß die gewünschte Mittelpunktsättigung des Kerns 58 bereitgestellt wird. Bei dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert des Widerstands 69 gleich 68 Ω. Der ausgewählte Wert kann in Abhängigkeit von Schaltkreisparametern bei anderen Ausführungsbeispielen schwanken, um den Stromfluß durch die Primärwicklung 52 bereitzustellen, wie es weiter unten mit mehr Einzelheiten in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird, um die Sättigung des Kernes zu einem bestimmten Zeitpunkt und, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ungefähr am Halbierungspunkt der Treibersignal-Wellenform für jeden Halbzyklus zu erreichen.
• Das an den Schaltkreis 60 angelegte und durch die Wellenform A gezeigte Signal ist ein Rechteckwellen-Signal, daß durch einen Puffer 70 von herkömmlicher Gestaltung bereitgestellt wird, der seinerseits von einem 1500 Hz-Rechteckwellen-Ausgangssignal von einem Anschluß 17 eines Mikroprozessors 100 betrieben wird. Der Mikroprozessor 100 ist ein Motorrola- 6805-Mikroprozessor, der zur Bereitstellung eines 1500 Hz- Ausgangssignals an seinem Anschluß 17 programmiert ist, das an den Eingang des Verstärkers 70 angelegt wird. Es wird an dieser Stelle festgestellt, daß zum Zwecke der Vereinfachung des in Fig. 2 gezeigten elektrischen Schemas der herkömmliche Pufferverstärker nicht gezeigt wird, der die Ausgangsanschlüsse des Mikroprozessors mit den verschiedenen Interface- Schaltkreisen verbindet, wobei verständlich ist, daß Verstärker, wie ein CD4050, dazu verwendet werden, jeden der Ausgänge des Mikroprozessors mit zugehörigen Schaltkreisen zu verbinden. In ähnlicher Weise ist in den meisten Fällen die herkömmliche Verbindung der +V- und +V/2-Quelle 67 zu den integrierten Schaltkreisen gemäß Fig. 2 nicht gezeigt. Der Mikroprozessor 100 ist außerdem zur Bereitstellung eines 3 kHz- Ausgangssignals an den Anschlüssen 18 und 19 programmiert, die, wie im folgenden erklärt wird, in Phasenbeziehung zu dem Treibersignal an dem Ausgangsanschluß 17 stehen, um sicherzustellen, daß der zu beschreibende Synchron-Phasendetektor 80 die Signale von dem "Flux-Gate" -Sensor wie gefordert verarbeitet.
• Die Sekundärwicklungen 54 und 56 des "Flux-Gate"-Sensors 50 sind üblicherweise mit dem Anschluß 71 verbunden, der wie gezeigt, an die getrennte Systemmasse 61 angeschlossen ist. Um eine Schwingung der Ausgangssignale zu verhindern, ist über jeder der Sekundärwicklungen 54 und 56 ein dämpfender kΩ-Widerstand 72 und 73 angeschlossen. Die Wicklungen 54 und 56, die jeweils entsprechend in Ost-/West- und Nord-/Süd-Wicklungen entsprechen, sind kapazitiv jeweils entsprechend mit den Verstärkern 74 und 76 über die Kopplungskondensatoren 75 und 77 verbunden. Die Kondensatoren 75 und 77 sind 0.1 Mfd-50 V- Kondensatoren, während die Verstärker 74 und 76 einen integrierten Schaltkreischip des Typs LM2902 enthalten, der in einer herkömmlichen Verstärker-Schaltkreis-Konfiguration angeschlossen ist.
• Die Ausgangsanschlüsse der Verstärker 74 und 76 sind über die Widerstände 78 und 79 mit den Eingängen des integrierten Synchron-Phasendetektors 80 verbunden, der einen integrierten Schaltkreischip des Typs "National Semiconductor CD4016" umfaßt. Der Schaltkreis 80 umfaßt vier zweiseitige Schalter, von denen zwei mit jeder der Sekundärwicklungen 54 und 56 des "Flux-Gate"-Sensors verbunden sind, um jeweils entsprechend Signalinformationen an den Eingängen 8, 11 und 1, 4 an die Ausgangsanschlüsse 9, 10 und 2, 3 anzulegen. Die Ausgangsanschlüsse des Schaltkreises 80 sind an die Integratorschaltkreise 82 und 84 jeweils entsprechend über geeignete Integrationskondensatoren 81 und 83, die mit dem Integrator 82 verbunden sind, und Integrationskondensatoren 85 und 86 angeschlossen, die mit dem Integrator 84 verbunden sind. Die Integratoren 82 und 84 empfangen somit abwechselnd sinusförmige Halbzyklen-Signale von dem Synchron-Phasendetektor 80, um an ihren Ausgangsanschlüssen ein zeitabhängig schwankendes Gleichspannungs-Ausgangs-Signal bereitzustellen, das charakteristisch für die Richtung ist, die mit den Wicklungen 54 und 56 erfaßt wurde, welche auf dem Fahrzeug angebracht sind, wie es im einzelnen in der oben angegebenen Druckschrift EP- A-0 120 691 beschrieben ist. Diese Signale werden jeweils entsprechend über die Rückführungswiderstände 87 und 88 an die Ausgangsanschlüsse der Sekundärwicklungen 54 und 56 zurückgeführt. In ähnlicher Weise wird eine Kompaß-Ausgleichs- Korrekturinformation an die Ausgangsanschlüsse der Sekundärwicklungen 54 und 56 über die Widerstände 94 und 96 und die Digital-Analog-Wandler 90 und 92 angelegt, deren Eingangsanschlüsse jeweils entsprechend mit den Ausgangsanschlüssen 24 und 23 des Mikroprozessors 100 verbunden sind. Sowohl das Ausgleichs-Korrektursystem als auch die intern programmierte Kompaß-Schwankungs-Korrekturtechnik sind im einzelnen in der oben genannten Druckschrift EP-A-0 120 691 beschrieben.
• Die Ausgangssignale der Integratoren 82 und 84 werden mit den Signaleingangsanschlüssen 21 und 20 des Mikroprozessors 100 über die Analog-Digital-Wandler 91 und 93 angeschlossen, die der Umwandlung der mit der Zeit variierenden Gleichspannungs- Eingangsinformation in geeignete digitale Signale dient, die mit dem Mikroprozessor 100 kompatibel sind. Die Signalumwandlung, die durch die Analog-Digital-Wandler 91 und 93 dargestellt ist, kann als gewünscht durch eine Mikroprozessor gesteuert sein, wie es in der oben genannten EP-A-0 120 691 beschrieben ist. Der Mikroprozessor 100 ist mit einem nichtflüchtigen Speicher 110 zur teilweisen Erhaltung der Kompensations- und Schwankungs-Korrektur-Information verbunden. Der Speicher 110 kann durch einen integrierten Schaltkreis des Typs "National Semiconductor NMC9306 bereitgestellt werden und ist wie gezeigt über die Anschlüsse über dem Mikroprozessor verbunden.
• Der Mikroprozessor 100 enthält auch Ausgangsanschlüsse 8 und 9, die mit einem geeigneten Anzeige-Treiberschaltkreis 111 zur Bereitstellung von Signalen für die digitale Anzeige 35 verbunden sind. Der Anzeigetreiber 111 und die Anzeige 35 können durch jeden Typ einer gewünschten digitalen, alphanumerischen oder grafischen Anzeige gebildet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anzeige 35 eine alphanumerische Vakuum-Leuchtanzeige, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Der Mikroprozessor empfängt außerdem eine Temperatur- Eingangsinformation von dem Thermistor 120, der mit der an die Spannungsversorgung +V in einem Spannungsteilernetzwerk angeschlossen ist, das einen in Reihe geschalteten Widerstand 122 enthält. Die analog schwankende Gleichspannung von dem Thermistor 120 wird über einen AD-Konverter 124 in einem digitalen Format an den Mikroprozessor 100 angelegt. In ähnlicher Weise wird an den Mikroprozessor 100 die Kompaß- und Thermometer-Steuer- und Ausgleichs- und Schwankungs-Steuer- Signal-Information über die Schalter 38, 39, 42 und 44 angelegt, von denen jeder einen Anschluß, der gemeinsam mit der Systemmasse verbunden ist, und einen übrigen Anschluß aufweist, der an einen Eingangsanschluß des Mikroprozessors und über ein Widerstandsnetzwerk 130 mit +V verbunden ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Somit bewirkt die Betätigung irgend eines der Schalter 38-44, daß einer der Eingänge des Mikroprozessors von einem logischen "1"-Zustand in einen logischen "0"-Zustand übergeht, wodurch an diesen eine Steuerinformation gegeben wird. Die Programmierung des Mikroprozessors zur Bereitstellung des gewünschten Kompaßbetriebes ist im einzelnen in der oben genannten EP-A-0 120 691 offenbart und bildet außer durch die Bereitstellung der Ausgangs-Treiber-Frequenzsignale, die von dem Mikroprozessor als Taktimpulse in Phasenbeziehung an den Ausgangsanschlüssen 17, 18 und 19 ausgegeben werden, keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
• Die Wirkungsweise des "Flux-Gate"-Treiberschaltkreises kann am besten unter Bezug auf die Wellenform-Darstellungen gemäß Fig. 3 verstanden werden, in denen die Positionen einer jeden Wellenform A-F in der schematischen Darstellung gemäß Figur 2 durch entsprechende Kennzeichnungsbuchstaben gezeigt sind.
• Das 1500-Hz-Rechteckwellen-Treibersignal A wird an die Basis- Anschlüsse der Transistoren 62 und 64 angelegt, wobei während des Zeitbereiches t&sub0;-t&sub2; die positive Spannung, die an den Transistor 62 angelegt ist, diesen in die Sättigung treibt, woraufhin der Strom von der getrennten Masse bei +2,5 V durch den parallelen Strompfad des Widerstandes 69 und der Wicklung 52 über den Kollektorwiderstand 63 und den Transistor 62 abwärts zur Masse fließt. Während dieses Zeitabschnitts ist der Transistor 64 abgeschaltet. Während des Zeitabschnitts t&sub2;-t&sub4; wird jedoch der Transistor 62 nicht leitend belassen und der Transistor 64 leitet mit einem Stromfluß von +V über den Transistor 64 den Widerstand 66 und den parallelen Strompfad des Widerstandes 69 und der Wicklung 52 zu der niedrigen, getrennten 2.5 V-Masse. Somit leiten die Transistoren 62 und 64 wechselweise, um entgegengesetzte Stromflußrichtungen durch die Primärwicklung 52 bereitzustellen. Die in Fig. 3B dargestellte Spannung B ist die Spannung am Anschluß 57 der Primärwicklung. Das Wellenform-Diagramm von Fig. 3B zeigt ein 1500 Hz-Signal, das einen Impuls mit der Dauer der Hälfte eines jeden Halbzyklus des Impulses A gemäß Fig. 3A darstellt. Zu den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub3; kehren die Spannungsimpulse zu dem Bezugspegel von ungefähr 2.5 V zurück. Das Zeit- und Amplituden-Spannungssignal der Wellenform B zeigt die Sättigung des "Flux-Gate"-Sensor-Kerns 58 an dem Halbierungspunkt zwischen t&sub0; und t&sub2; und wiederum bei der umgekehrten Feldrichtung zwischen t&sub2; und t&sub4; an. Die Sättigung zu einem bestimmten Zeitpunkt, der dem Halbierungspunkt einer jeden Hälfte des Treiberzyklus entspricht, ist insofern wichtig, da sich aus der in Fig. 3C gezeigten resultierenden sekundären Wellenform, die dem Ausgangssignal der Nord-/Süd-Wicklung 56 entspricht, sinusförmige Halbwellen-Impulse ergeben, die eine wechselnde Polarität aufweisen und die bei t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; und t&sub4; für jeden Vollzyklus der Treiberwellenform auftreten. Die Frequenz des sinusförmigen 50 us-Verzögerungsimpulses, der sich aus der Treiber-Wellenform ergibt, beträgt 3 kHz, da ein Paar von Impulsen mit wechselnder Polarität bei jedem an den Eingang angelegten Impuls an der Ausgangswicklung auftritt.
• Die Signale, die an den Ausgangswicklungen der "Flux-Gate"- Sensoren, der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme (beispielsweise dem in EP A 0 120 691) auftreten, sind relativ hochfrequente, gedämpfte Schwingungsimpulse, die zu den Zeiten t&sub0;, t&sub2; und t&sub4; auftreten. Diese Nachschwingsignale konnten nicht vollständig demoduliert werden, um die notwendige Signal-Information zur Verarbeitung bereitzustellen, wodurch eine digitale Filterung notwendig war, um die Sinuswellen-Information mit der Frequenz der zweiten Harmonischen zu erhalten.
• Fig. 3D zeigt das verstärkte und integrierte Signal D des Verstärkers 76, dessen Signal an den Synchronphasen-Detektor angelegt wird. Dem Fachmann ist verständlich, daß eine ähnlich geformte Wellenform über den Verstärker 74 an den Synchron-Phasen-Detektor 80 angelegt wird. Die Amplitude und die Polarität der Impulse, die als Wellenform D gezeigt sind, und diejenigen, die den Impulsen des Verstärkers 74 entsprechen, stehen in direkter Beziehung zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs, in dem der "Flux-Gate"-Sensor angebracht ist. Mit einem beispielsweise unmittelbar nach Norden gerichteten Fahrzeug- Steuerkurs kann somit die Wellenform D eine maximale Amplitude und die gezeigte Polarität aufweisen, während, wenn das Fahrzeug unmittelbar nach Süden gerichtet ist, die Amplitude dieselbe, die Polarität jedoch umgekehrt sein kann. In ähnlicher Weise kann das mit der Wellenform D gezeigte Signal ungefähr beim Null-Pegel liegen, wenn sich das Fahrzeug unmittelbar in einer Ost- oder West-Richtung bewegt und wenn insbesondere das System gegenüber den lokalen Magnetfeld-Störungen kompensiert wurde, die durch das Fahrzeug verursacht werden. Die Ost-/West-Wicklung 50 stellt in ähnlicher Weise ein schwankendes Signal bereit, daß zur Orientierungsrichtung des "Flux-Gate"-Sensors in Bezug auf das Erdmagnetfeld in Beziehung steht.
• Der Synchron-Phasendetektor 80 umfaßt Paare von zweiseitigen Schaltern, mit denen das Signal der Wellenform D über den Widerstand 78 an die Eingänge 1 und 4, die zwei separaten Schaltern entsprechen, angelegt werden. Das zugehörige Signal des Verstärkers 74 wird in ähnlicher Weise an die Eingangsanschlüsse 8 und 11 angelegt. Die Schalter werden durch die 3 kHz-Impulse betrieben, die in den Fig. 3E und 3F als Wellenformen E und F gezeigt sind. Die Mittelpunkte dieser 3 kHz-Impulse stimmen für jeden Betriebszyklus mit den Zeiten t&sub0;, t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; und t&sub4; überein. Die Impulse, die als Wellenformen E und F gezeigt sind, werden an den Schaltkreis 80 angelegt, um wechselweise das Schalterpaar einzuschalten, das in dem Synchron-Phasendetektor enthalten ist, so daß die wechselnden Impulse, beispielsweise der Wellenform D an die Eingangsanschlüsse des Integrators 82 angelegt werden. In ähnlicher Weise schließt das andere Schalterpaar, das in dem Synchron-Phasendetektor enthalten ist, die ähnliche Wellenform, die von dem Verstärker 74 ausgeht und über den Widerstand 79 an die Anschlüsse 8 und 11 angelegt ist, über die Ausgangsanschlüsse 9 und 10 an den Integrator 84 an, so daß die Integratoren 82 und 84 lediglich die resultierende Signalwellenform empfangen und ein variierendes Gleichspannungs-Ausgangssignal bereitstellen, daß unmittelbar für die Orientierung des "Flux-Gate"-Sensors und daher des Fahrzeugs, in dem dieser angebracht ist, in Bezug auf das Erdmagnetfeld charakteristisch ist.
• Durch Bereitstellung der Mittelpunkt-Sättigung, d. h. zu den Zeiten t&sub1; und t&sub3; eines jeden Zyklus des angelegten Treibersignal und durch die Bereitstellung der Taktimpulse E und F an den Synchron-Phasendetektor, dessen Signale in Bezug auf die Treibersignale A und E um 45º-Phasen verschoben sind, werden die informationstragenden Signale D nur während des Zeitfensters, das durch die Taktimpulse E und F bestimmt ist, an den Integrator 82 (und das entsprechende Signal an den Integrator 84) angelegt. Somit wird durch die Sicherung der Mittelpunktsättigung des "Flux-Gate"-Kerns in die Information, die in den Impulsen, die zu den Zeiten t&sub1; und t&sub3; auftreten, nicht verlorengehen oder von den übrigen Impulsen bei t&sub0;, t&sub2; und t&sub4; verschoben, wobei die sich ergebende integrierte Information genau die Fahrtrichtung des Fahrzeuges darstellt, ohne ausgeklügelte digitale oder analoge Filter-Techniken wie im Stand der Technik zu erfordern.
• Die Auswahl des Wertes des Widerstandes 69 zur Sicherung der Mittelpunkt-Sättigung ist natürlich wesentlich. Die Verringerung der Widerstandsgröße, durch die mehr Strom von der Wicklung 52 abgeleitet wird, verursacht somit, daß die Sättigung zu einem späteren Zeitpunkt auftritt und die Impulse B verbreitert. In ähnlicher Weise wird die Sättigung bei Vergrößerung des Ohm-Wertes des Widerstandes 69 zu einem früheren Zeitpunkt auftreten und die Impulse B verkürzen. Es wird festgestellt, daß die Wellenformdiagramme der Fig. 3C und 3D aufgenommen wurden, wobei die Rückkopplungskreise mit den Widerständen 87, 88, 94 und 96 nicht angeschlossen waren.

Claims (14)

1. Elektrisches Fahrzeug-Kompaß-System, das umfaßt:

- einen "Flux-Gate"-Sensor (50) mit einer Primärwicklung (52) und einem Paar von Sekundärwicklungen (54, 56);

- einen Treiberschaltkreis (60) mit einem Eingang und einem Ausgang, der an die Primärwicklung (52) zur Bereitstellung von periodischen Treibersignalen (B) an der Primärwicklung (52) angeschlossen ist; und

- einen Synchron-Phasendetektor (80), der mit den Sekundärwicklungen (54, 56) und einem Mikroprozessor (100) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Mikroprozessor (100) in einer Phasenbeziehung zueinander stehende erste (A) und zweite (E, F) frequenzperiodische, elektrische Treibersignale bereitstellt, wobei die Frequenzen der zwei Signale zueinander in Beziehung von Harmonischen stehen und in Bezug zueinander phasenverschoben sind;

- der Treiberschaltkreis (60) an den Ausgang (17) des Mikroprozessors (100) angeschlossen ist, um die ersten Frequenz-Signale (A) des Mikroprozessors (100) zu empfangen und die Treibersignale (B) bei einer ersten Frequenz anzulegen, wobei die Treibersignale (B) eine Sättigung des Kerns (58) des "Flux-Gate"-Sensors (50) ungefähr bei der Mitte mindestens eines jeden Halbzyklusses einer jeden Periode des ersten Frequenzsignals (A) verursacht; und daß

- der Synchron-Phasendetektor (80) auf die zweiten Frequenz-Signale (E, F) anspricht, die an diesen von dem Mikroprozessor (100) zur Bestimmung der zweiten Frequenz-Komponenten der Signale (C) des Sensors (50) angelegt werden, die die Steuerkurs- Richtungs-Information darstellen.

2. System gemäß Anspruch 1, bei dem der Synchron-Phasendetektor (80) gesteuerte Schaltmittel umfaßt, die an den Mikroprozessor (100) zum Empfang der zweiten Frequenz-Signale von diesem und zum wahlweisen Anlegen der Signale von den Sekundärwicklungen (54, 56) an den mindestens eines Eingangsanschluß des Mikroprozessors (100) angeschlossen sind.

3. System gemäß Anspruch 2, bei dem die zweiten Frequenz-Signale gegenüber den ersten Frequenz-Signalen die zweifache Frequenz aufweisen.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dem der Treiberschaltkreis (60) ein Stromnebenschlußmittel (69) aufweist, das zur Steuerung der Sättigungszeit des "Flux-Gate"-Sensorkerns (58) ausgewählt ist.

5. System gemäß Anspruch 4, bei dem der Mikroprozessor (100) einen Rechteckwellengenerator zur Bereitstellung der ersten Frequenz-Signale enthält.

6. System gemäß Anspruch 5, bei dem der Treiberschaltkreis (60) ein Paar von Festkörperschaltern (62, 64) enthält, die in einer Gegentaktanordnung angeschlossen sind und Steueranschlüsse aufweisen, die mit dem Rechteckwellengenerator zum Empfang von Signalen von diesem verbunden sind.

7. System gemäß Anspruch 6, bei dem das Strom-Nebenschlußmittel einen Widerstand (69) enthält, der an die Festkörperschalter (63, 64) angeschlossen und dazu vorgesehen ist, zu der Primärwicklung (52) des "Flux-Gate"-Sensors (50) parallel geschaltet zu werden.

8. System gemäß Anspruch 7, bei dem der Widerstand (69) einen Wert von ungefähr 68 Ω aufweist und die Primärwicklung (52) 250 Lagen des Magnetdrahtes der Norm Nr. 36 aufweist.

9. System gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem der Treiberschaltkreis (60) eine Spannungsquelle (67) zur Bereitstellung einer ersten Ausgangs-Gleichspannung (+V), einer zweiten Ausgangs-Gleichspannung (+V/2) mit einem Pegel, der gleich der Hälfte der ersten Spannung ist, und einer Bezugsmasse, wobei die Gegentakt-Schalter (62, 64) an die Spannungsversorgung (67) zum Empfang der ersten Ausgangsspannung und der Bezugsmasse angeschlossen sind und wobei der Widerstand (69) einen Anschluß (59) besitzt, der sich von seiner Verbindung zu den Schaltern entfernt befindet, um die zweite Ausgangs-Gleichspannung von diesen zu empfangen.

10. System gemäß Anspruch 9, bei dem die erste Gleichspannung ungefähr +5 V beträgt.

11. System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Schalter (62, 64) ein Paar von Transistoren umfassen.

12. System gemäß Anspruch 11, bei dem einer der Transistoren (64) ein PNP-Typ ist und einen Emitter, der mit der Spannungsversorgung (67) verbunden ist, um die erste Spannung (V) von dieser zu empfangen, und einen Kollektor aufweist, der mit dem Widerstand (69) verbunden ist, und bei dem der andere Transistor (62) ein NPN-Typ ist, der einen Emitter, der mit der Masse verbunden ist, und einen Kollektor aufweist, der mit dem Widerstand (69) verbunden ist.

13. System gemäß Anspruch 1, das eine Stromversorgung mit Ausgängen, die eine erste Ausgangsspannung, eine zweite Ausgangsspannung mit einem Wert, der geringer als die erste Spannung ist, und eine Massen-Bezugsspannung bereitstellt, wobei ein Anschluß der Primärwicklung (52) mit der Spannungsquelle verbunden ist, um von dieser die zweite Spannung zu empfangen; und ein gesteuertes Schaltmittel enthält, das einen Steuereingangsanschluß, der mit dem Mikroprozessor (100), verbunden ist und drei Schaltanschlüsse enthält, von denen ein erster Anschluß mit der Bezugsmasse verbunden ist, ein zweiter Anschluß mit der Spannungsversorgung verbunden ist, um die erste Ausgangsspannung zu empfangen, und ein dritter Anschluß mit einem Anschluß der Primärwicklung (52) verbunden ist, wobei das Schaltmittel einen Stromfluß in wechselnden Richtungen durch die Primärwicklung bewirkt.

14. System gemäß Anspruch 13, bei dem ein Strom durch die Primärwicklung (52) und durch das Schaltmittel in einer ersten Richtung von der zweiten Ausgangsspannung zur Masse und in einer zweiten Richtung von der ersten Ausgangsspannung zu der zweiten Ausgangsspannung fließt.