专利名称：检测执行元件运动的电路和方法
技术领域：
本发明涉及检测电路，具体涉及检测螺线管的适当操作。
电子螺线管形成机械系统的许多类型的整体部分。该电子螺线管包括一个磁场线圈，该线圈响应电流流过线圈产生磁场。该磁场使放置在磁场线圈内执行元件运动，该线圈又附属于机械装置例如阀门或传动装置。通过开启开关电路，电流流过磁场线圈，产生磁场并移动执行元件(actuator)。例如，在机动车应用中，螺线管经常用于在传动中偏移传动装置或占用发射控制子系统。在工业应用中，螺线管可用于打开或关闭液压线路的阀门。
正如多数实际装置的情况一样，螺线管易受损坏。在许多应用中，重要的是要知道执行元件真正地被啮合(engaged)。例如，如果发射控制子系统不能适当的啮合，则联邦法律要求告警指示。在现有技术中，执行元件的检测已由压力传感器例如霍尔效应传感器和光电传感器来完成。在压力传感器方案中，压力传感器检测阀门对侧上的压力。当阀门是打开的时候，阀门对侧上的压力均衡并且压力传感器指示零的差分读数。当阀门闭合时，压力一般是不相等的，而且压力传感器读出差值。但是，甚至利用闭合的阀门，在阀门对侧上的压力仍可能是相同的，使压力传感器不精确地指示打开着的阀门。而且，在要求严格的(harsh)环境中，例如机动车和工业应用中，压力传感器已证明是昂贵和不可靠的。
现有技术的执行元件检测器被设计进入到初始设备中，并在不经过广泛地重新设计的情况下一般不能加在后者。据此，在执行元件的检测中提高现有系统的等级到新的技术经常是不实际的。
为此，现在需要一种既简单又可靠的并能综合到现有系统内的执行元件检测器。
图1示出执行元件运动检测器的方框图；图2示出说明本发明中使用的波形曲线；图3示出说明图1的峰值检测器的另一实施例的原理图。
参见图1，该图示出执行元件运动检测器10，它适合于使用常规集成电路工艺规程生产为集成电路。螺线管12包括一个执行元件14，该执行元件14又耦合到机械装置例如传动装置或阀门(未示出)。螺线管12可以用在机动车应用，例如偏移传动或在占用发送控制子系统中的传动装置。在工业应用中，螺线管12可用于液压线路中打开和闭合阀门。磁场线圈16环绕执行元件14，线圈16的一端耦合到工作在正电源电位Vpower(例如来自机动车电池的12.0伏特)的电源导体18，磁场线圈16的另一端耦合到晶体管20的漏极，在其栅极接收ACTUATOR CONTROL(执行元件控制)信号。晶体管20的源极耦合到在地电位工作的电流导体22。在另一个实施例中，可用电阻和开关电路(未示出)来取代晶体管20。高电平的ACTUATOR CONTROL信号使晶体管20导通并使电流流过磁场线圈16而产生磁场，该磁场可使执行元件14运动并使传动装置齿轮移动或使阀门闭合。
在许多应用中，重要的是验证螺线管12的适当的啮合。例如，在汽车的计算机控制系统中需要知道何时传动移动齿轮，以便调整燃料供给和发动机的每分钟转数(RPM)。执行元件运动检测器10使用晶体管20的漏源电阻(RDSON)来交换磁场线圈16中的电流波形为图2所示的电压波形。在适当地操作时，在晶体管20漏极上的传感电压(SENSE VOLTAGE)在时间t1迅速下降到接近于地电位的值。在时间t4电压波形指数地增加到峰值，然后向下倾斜(dip)，因为该磁场已移动执行元件的芯，因此增加螺线管的电感量而且产生负的di/dt(每单位时间电流变化率)，di/dt由晶体管20的RDSON变换为电压倾斜(voltage dip)。传感电压的波峰至波谷变化可能是10毫伏。图2所示的倾斜不需要标度。电压波形再增加到前述峰值之上的一个稳定状态值。
在初始电压下降时执行元件运动检测器10开始工作，并例如在时间t4监视该波形，以检测峰值。如果例如在时间t4和t6之间电压波形达到峰值后又倾斜，(它具有至少一个最小期间(比如说10毫秒)和在时间t4超过峰值)，则通过磁场线圈16的电流呈现出该设备所期望物理特性，而且螺线管12被认为是啮合的。否则，螺线管12被确定为不啮合，因为流过磁场线圈16的电流设有遵循适当工作螺线管的物理特性。
来自晶体管20的漏极的SENSE VOLTAGE信号通过电容器24施加到反相器28的输入端，该反相器28提供电容器24两端的任何AC变化的放大。反相器28的断开门限点被置于2V。反相器28的输出耦合到比较器30的反相输入端和比较器32的反相输入端。比较器30的非反相输入端接收工作在3.0伏特的基准电位VREF1。比较器32的非反相输入端接收工作在1.0伏特的基准电位VREF2。在另一个实施例中，反相器28可由反相输入端耦合到电容器24的一个比较器电路(未示出)来代替，而且比较电路的非反相输入是指VREF1和VREF2之间门限电位中间范围的点，例如2.0伏特。此外，通过控制传感电压的最小波峰至波谷的偏差，参考电压可用于调整抗扰度，如图2所示。
传感器还加到比较器34的非反相输入端。比较器34的反相输入端接收工作在2.5伏的基准电位VREF3，而比较器34的输出端提供一个REST(复位)信号。比较器30的输出端向反相器36的输入端和“与”门38的第一输入端提供一个UP向上控制信号。“与”门38的输出端被耦合到“或”门40的第一输入端上。“与”门40的第二输入端接收复位信号，向开关电路42的控制输入端提供(开关控制)SWITCH CONTROL信号。开关电路42耦合在反相器28的输入端和输出端之间。反相器36的输出端向可逆计数器44提供UP控制信号，比较器32的输出端向计数器44提供DOWN(递减)控制信号。由逻辑“1”的复位信号使计数器44在其重量输入端保持为计数值为零。振荡器46向“与”门38的第二输入端和计数器44的时钟输入端提供工作在10HKz的一个(振荡器)OSCILLATOR信号。逻辑“1”的UP控制信号使计数器44以振荡器信号的频率递增计数，而同时逻辑“1”的DOWN控制信号使计数器44以振荡器信号的频率递减计数。当计数器44计数值是零时，它提供一个逻辑“1”的ZERO(零)信号，而当其计数值等于或大于预定门限值，比如说计数为5时，计数器44提供逻辑“1”VALID COUNT(有效计数)信号。有效计数信号加在触发器50的置位输入端，而同时其复位输入端接收RESET信号。触发器50的Q输出端连接到“与”门52的第一输入端，而同时“与”门52的第二输入端接收ZERO信号。触发器54具有连接到“与”门52输出的一个置位输入端并在其复位输入端接收RESET信号。触发器50和54由振荡器信号定时。触发器54的Q输出提供一个ENGAGED(占用)信号，指示螺线管12适当地被啮合。
执行元件运动检测器10的操作进程如下。当执行元件控制信号是低的时候，晶体管20截止并且没有电流流过磁场线圈16。SENSE VOLTAGE(传感电压)基本上等于VPOWER。因为在比较器34的非反相输入端的传感电压大于2.5伏的基准电压VREF3，复位信号是逻辑“1”和“或”门40的输出是逻辑“1”。来自“或”门40的逻辑“1”保持开关电路42在闭合位置，强迫反相器28调节在VREF1和VREF2之间的电位。逻辑“1”的复位信号通过保持它在计数零使计数器44不工作，并进一步复位触发器50和54的输出至逻辑“0”，禁止执行元件运动检测器10的操作。
当执行元件控制信号变为高时使螺线管12工作，晶体管20导通而且电流流过磁场线圈16。从图2看出，在时间t1点传感电压瞬间下降接近于零伏，因为通过磁场线圈16的电流不能瞬时地变化。在比较器34的非反相输入端的传感电压小于2.5伏的基准电压VREF3和复位信号变为逻辑“0”而释放计数器44和触发器50和54的复位输入并允许执行元件运动检测器10开始工作。
在时间t1至t4期间，在占用螺线管12之后通过磁场线圈16的电流幅度指数地增加。传感电压信号电压被划分为由振荡器46的频率确定的离散样值周期。由于外部条件，例如温度和过程变化，在开关电路12是闭合的时间期间传感电压和任何系统的偏移被存储在电容器24的两端。
假定UP控制信号以逻辑“1”开始。在时间t2，振荡器信号脉动高，并且与逻辑“1”UP控制信号组合以便闭合开关电路42并存储电容器24两端上的传感电压和任何系统偏移的当前值。刚刚在时间t2之后，振荡器信号变为低并且“与”门38的输出变为低以及“或”门40的输出变为低以便打开开关电路42。随着开关电路42打开，传感电压的任何AC变化，即指数地增加传感电压，被放大和由反相器28反相。传感电压在比较器30和32的反相输入产生一个低信号，即低于VREF1和VREF2。UP控制信号和递减控制信号仍为逻辑1以保持计数器44处于计数值零和零信号处在逻辑1。来自反相器36和UP控制信号是到计数器44的逻辑零。在时间t3，振荡器46提供另一个短的正脉冲而瞬间地闭合开关电路42并更新在电容器24两端上的传感电压和系统偏移的当前的值。当传感电压幅度增加时，反相器28和比较器30及32检测传感电压的AC变化并提供具有第一状态的计数器控制信号。在取样周期期间重复该过程直到在时间t4的峰值。
反相器28和比较器30及32提供传感电压信号的峰值检测。在时间t4和t5之间的取样周期表示传感电压幅度的降低以便开始波形的倾斜部分。降低传感电压变为小于存储在电容器24两端的当前的值，使反相器28的输出变为大于VREF1和VREF2的高值。UP控制信号和递减控制信号变为逻辑“零”，而UP控制信号变为逻辑“1”。逻辑“零”UP控制信号在“与”门38的输出产生逻辑零，并保持开关电路42在打开状态，有效地存储在电容器24两端的传感电压的峰值。反相器28和比较器30及32检测传感电压的AC变化并且当传感电压幅度降低时，提供具有第二状态的计数器控制信号。
计数器44在以振荡器频率确定的时间t4开始递增计数，直到当传感电压再次超过存储在电容器两端的峰值即时间t6时为止。传感电压的瞬时斜率是与时间t4和t6之间无关的。当计数器44的计数值是大于或等于预定计数值例如数值5时，VALID COUNT(有效计数)信号变为逻辑“1”。为了断定逻辑1占用信号以便证实螺线管12的适当操作，在时间t4的第一峰值时间之后，计数器44必须达到预定计数值5，然后返回递减计数到时间t6和t7之间的零。通过提供数字滤波功能，计数器44提高抗干扰性，即在噪声环境下假的递增和递减计数平均为零。计数器44必须比递减计数多接收5个递增计数，以达到希望的5的计数。
假定计数器44在时间t4和t6之间到达至少计数值为5。计数值达到5时，确定SENSE VOLTAGE(传感电压)的倾斜部分，以具有最小可接受的持续时间，这表示磁场线圈16是适当地操作来移动执行元件14。VALID COUNT(有效计数)信号是逻辑“1”并且置位触发器50，以便其Q输出变为逻辑“1”。计数器44的ZERO输出仍是逻辑“0”。在时间t6，传感电压超过存储在电容器24两端的峰值电压，在那时，反相器28产生一个“低”信号来改变比较器30和32的输出状态为逻辑“1”。利用逻辑“1”的DOWN控制信号使计数器44开始以振荡器频率进行递减顺序计数。在时间t7，计数器44返回递减计数至全零，而且ZERO输出变为逻辑“1”并且与来自触发器50的逻辑“1”组合在“与”门52的输出端产生逻辑“1”。利用从“与”门52来的逻辑“1”置位触发器54，使其输出端的占用信号为逻辑“1”，这表示螺线管12被啮合。
如果计数器44在时间t4和t6之间不能达到至少计数值为5，则确定传感电压的低峰值不具有最小可接受的持续时间。磁场线圈16不能适当地工作，而且执行元件14可能没有移动。VALIDCOUNT信号是逻辑“0”而且触发器50的Q输出保持在逻辑“0”。计数器44的ZERO输出仍为逻辑“0”。在时间t6，传感电压超过存储在电容器24两端的峰值电压，在那时，变换器28产生一个“低”信号来改变比较器30和32的输出状态为逻辑“1”。利用逻辑“1”DOWN控制信号使计数器44以振荡器频率开始递减顺序计数。在时间t7，计数器44返回递减计数到全零，并且ZERO输出变为逻辑“1”，与来自触发器50的逻辑“0”相组合，在“与”门52的输出端产生逻辑“0 ”。来自“与”门52的逻辑“0”使触发器54的Q输出端的占用信号保持处于逻辑“0”，这表示螺线管12不可能被啮合。
图3示出了执行元件运动检测器10的峰值检测器部分的另一个实施例。具有类似功能的部件被指定为与图1使用的相同参考数字。开关电路42连接在晶体管60的控制极与漏极之间。晶体管60的源极连接到工作在地电位的电源导体62。晶体管60的漏极接收从电流源64到节点66的电流。晶体管68的栅极连接到节点66并接收来自电流源70到其漏极的电流I70。晶体管72的栅极连接到节点66并接收来自电流源74到其漏极的电流I74。晶体管68和72的源极连接到电源导体62。电流源64、70和74的每一个都选择为100微安培。晶体管68的漏极提供UP控制信号，而同时晶体管72的漏极提供DOWN控制信号。
晶体管60提供反相功能，即在其栅极为“高”信号时导通晶体管60，而且降低节点66的电压至“低”电平。反之，在晶体管60的栅极为“低”信号时使其截止，而且允许节点66的电压提高，这就提供了反相操作。晶体管60还对存储在电容器24两端的稳态值提供AC变化的放大。晶体管68和72被规定在它们的开关门限值之间提供1.0伏特的偏移。例如，在节点66的电压必须超过3.0伏以使晶体管68导通，而且拉UP控制信号为逻辑“0”。类似地，在节点66的电压必须低于1.0伏，以导通晶体管72，并拉DOWN控制信号至逻辑“1”。当节点66的电压低于1.0伏时，晶体管72截止，并且DOWN控制信号变为逻辑“1”。同样地，当节点66的电压低于3.0伏时，晶体管68截止，UP控制信号是逻辑“1”。
现在可以理解，本发明提供一种证实螺线管的适当占用的指示器。在许多应用例如移动机动车传输和占用发射控制系统中，证实适当的执行元件的运动是重要的。流过磁场线圈的电流被变换为传感电压，它呈指数地增长，在再次增长到大于第一峰值的稳态值之前是一个低的峰值。执行允许运动检测器确定按指数增加的传感电压的第一峰值。在第一峰值之后，在传感电压返回到其第一峰值之前，计数器必须在低峰期间计数到预定值。如果计数器至少达到预定计数值，那么通过磁场线圈的电流遵循适当的物理特性，而且螺线管被认为是啮合的。如果计数器不能达到预定计数值，那么螺线管就没有被啮合，因为通过磁场线圈16的电流没有遵循适当工作螺线管的物理特性。通过从磁场线圈抽出传感电压，执行元件运动检测器可加到现存的螺线管系统。
虽然业已图示并且描述了本发明的特定的实施例，本领域的技术人员可进行进步的修改和改进。可以理解，本发明不限于所示的特定形式，而且预定所附的权利要求覆盖所有的修改，这些修改都不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种执行元件运动检测器电路，其特征在于一个电容器(24)，具有一个第一端，被耦合用于接收传感电压；电路装置(28、42、30、32、36、38)，具有一个输入端，耦合到所述电容器的第二端，用于检测所述传感电压的AC变化，在所述传感电压幅度增加时，提供具有第一逻辑状态的第一计数器控制信号，在所述传感电压幅度降低时，提供具有第二逻辑状态的控制信号；和一个计数器(44)，具有第一控制输入端用以接收所述第一计数器控制信号，和一个时钟输入端，被耦合用于接收振荡器信号，该计数器提供用于指示执行元件运动的有效计数信号。
2.根据权利要求1的执行元件运动检测器，其特征在于，所述电路装置包括一个第一反相器(28)，具有一个输入端，它连接到所述电容器的所述第二端；一个开关电路(42)，连接在所述第一反相器的所述输入端和所述第一反相器的输出端之间，响应开关控制信号而工作；一个第一比较器(30)，具有第一及第二输入端和一个输出端，其第一输入端耦合到所述第一反相器的所述输出端，其第二输入端被耦合用于接收第一基准电位，所述输出端提供所述第一计数器控制信号；和一个第二比较器(32)，具有第一和第二输入端及一个输出端，该第一输入端耦合到所述第一反相器的所述输出端，该第二输入端被耦合用于接收第二基准电位，该输出端向所述计数器的第二控制输入端提供第二计数器控制信号。
3.根据权利要求2的执行元件运动检测器电路，其特征在于，所述电路装置进一步包括一个第二反相器(36)，具有一个输入端，连接到所述第一比较器的所述输出端，和具有一个输出端，连接到所述计数器的所述第一控制输入端；和一个第一逻辑门(38)，具有第一和第二输入端及一个输出端，该第一输入端被耦合用于接收所述振荡器信号，该第二输入端耦合到所述第一比较器的所述输出端，所述输出端提供所述开关控制信号。
4.根据权利要求3的执行元件运动检测器电路，其特征在于进一步包括一个第三比较器(34)，具有第一和第二输入端及一个输出端，该第一输入端被耦合用于接收所述传感电压，该第二输入被耦合用于接收第三基准电位，该输出端向所述计数器的复位输入端提供一个复位信号；和一个第二逻辑门(40)，具有第一和第二输入端及一个输出端，该第一输入端被耦合用于接收所述复位信号，该第二输入端耦合到所述第一逻辑门的该输出端，该输出端耦合到所述开关电路的控制输入端。
5.根据权利要求4的执行元件运动检测器电路，其特征在于进一步包括一个振荡器(46)，用于提供所述振荡器信号。
6.根据权利要求5的执行元件运动检测器电路，其特征在于进一步包括一个第一触发器(50)，具有一个置位输入端、一个复位输入端、一个时钟输入端和一个输出端，该置位输入端被耦合用于接收来自所述计数器的所述有效计数信号，该复位输入端被耦合用于接收所述复位信号，该时钟输入端被耦合用于接收所述振荡器信号；一个第三逻辑门(52)，具有第一及第二输入端和一个输出端，该第一输入端耦合到所述第一触发器的所述输出端，该第二输入端被耦合用于接收来自所述计数器指示零状态的零信号；和一个第二触发器(54)，具有一个置位输入端、一个复位输入端、一个时钟输入端和一个输出端，该置位输入端耦合到所述第三逻辑门的所述输出端，该复位输入端被耦合用于接收所述复位信号，该时钟输入端被耦合用于接收所述振荡器信号，该输出端提供一个指示执行元件运动的占用信号。
7.一种检测执行元件运动的方法，其特征在于包括以下步骤存储电容器(24)两端上的传感电压；检测所述传感电压的AC变化，当所述传感电压幅度增加时提供具有第一逻辑状态的一个计数控制信号，和当所述传感电压幅度降低时提供第二逻辑状态的一个计数控制信号；在所述计数控制信号的所述第一逻辑状态期间，递减计数振荡器信号的周期；和在所述计数控制信号的所述第二逻辑状态期间递增计数所述振荡器信号的周期，用于提供一个指示执行元件运动的输出信号。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤监视所述传感电压的值的初始变化；和在检测所述初始变化时确定所述传感电压的第一峰值。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤重新得到等于所述第一峰值的第二个值的所述传感电压。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤确定在所述第一峰值和所述第二峰值之间所述传感电压倾斜的期间，所述第二值对于最小期间跟随有最小的正斜率；和根据找到的在所述传感电压的所述倾斜的所述最小期间，断定所述输出信号来指示执行元件运动。
全文摘要
执行元件运动检测器指明螺线管(12)适当啮合，流过磁场线圈的电流被变换为传感电压，该电压按指数增加，再增加到大于第一峰值的稳定状态前是一个倾斜，它存在电容器上，由传感电压的任何AC变化设置比较器输出状态并确定其第一峰值。第一峰值之后，在它又回到第一峰值前的低峰期间，计数器(44)计数到预定值。若在回到第一峰值前计数器至少达到预定计数值和在稳定状态前计数返回到零，则该螺线管认为被啮合占用。
文档编号G01D5/20GK1126831SQ9511620
公开日1996年7月17日 申请日期1995年9月5日 优先权日1994年9月6日
发明者兰达尔·T·沃尔斯拉格, 约汉·M·哈格顿 申请人:摩托罗拉公司