G-Sensor (Beschleunigungssensor) bzw. ABS im 4WD

[Mazda RX-7 SA]

Freunde des GE.

Ich möchte das Thema G-Sensor genauer betrachten. Ist ein interessantes Thema, wie ich finde.
Wie im Thread 2WD vs. 4WD schon erwähnt, ist dieser Sensor nur im 4WD verbaut und am ABS-Steuergerät angeschlossen.

Ich zitiere hier einmal das WHB, um genau zu sein die Ergänzung für die Unterschiede im 4WD:

################# W H B Ergänzung 12/91 1313-20-91L #################
Kapitel P ABS
Seite P-5

G-Sensor

• Der Schwerkraftsensor (G-Sensor) ist unter dem linken Sitz untergebracht. Je nach Beschleunigung und Verzögerung (G-Kräfte des Fahrzeugs) gibt er eine entsprechende Spannung ab.
• Werden bei Fahrzeugen mit permanentem Allradantrieb wie dem Mazda 626 die Bremsen betätigt, sind die Räder bestrebt, auch bei unterschiedlichem Reibwert mit gleicher Drehzahl zu laufen, da sie über den Allradantrieb als eine einzige Einheit blockieren. Das ABS-System kann dabei jedoch die geschätzte Verzögerung des Fahrzeugs nicht genau bewerten, so daß die ABS-Regelung evtl. ungenau wird.
• Der G-Sensor löst dieses Problem dadurch, daß er die Verzögerung des Fahrzeugs feststellt und die ABS-Steuereinheit dann die geschätzte Fahrzeuggeschwindigkeit und die richtige ABS-Regelung aufeinander abstimmt.

Aufbau
Der G-Sensor ist als Differenzwandler mit elektrischen und Erkennungsschaltkreisen aufgebaut. Der elektrische Schaltkreis umfaßt den Schwingkreis für die Erregung der Primärspule und den Ausgangsimpuls-Erkennungsschaltkreis und Verstärkerschaltkreis für die Sekundärspule.
Der Erkennungsteil enthält eine Silikonölfüllung zur Regulierung der Magnetkernbewegung. Der Kern bewegt sich je nach Grad der Beschleunigung, die auf das Fahrzeug wirkt, vorwärts oder rückwärts.

Funktion

1. Der durch zwei Blattfedern abgestützte Magnetkern wird zwischen Primär- und Sekundärspule gehalten.
2. In Ruhelage ist der Magnetkern zwischen den beiden Sekundärspulen zentriert; beide Spulen erzeugen Wechselstrom gleicher Stärke.
   Die Spulen weisen einander entgegengesetzte Polarität auf; ihre Ausgangsströme heben einander gegenseitig auf.
3. Wird das Fahrzeug beschleunigt, bewegt sich der Magnetkern im G-Sensor. Je nach Richtung und Betrag der Spulenbewegung wird durch die Sekundärspulen Wechselstrom erzeugt.
4. Dieser Wechselstrom wird zum elektrischen Schaltkreis übertragen, wo er umgewandelt und als Gleichstrom abgegeben wird.

################# W H B Ergänzung 12/91 1313-20-91L #################

Hier noch die komplette Seite:

[Mazda RX-7 SA]

Soweit die Theorie.
In der Praxis musste schon ein G-Sensor als defekt aussortiert werden. Er Überschritt die Sollwerte deutlich, weshalb das ABS-Steuergerät den Fehler 03 = G-Sensor schmiss.
Der nun verbaute ist scheinbar auch nicht weit weg vom "Sterben", denn der Fehler 03 kommt sporadisch mal wieder.

Hier noch ein Bild der Sensoren:


Der FL hat übrigens einen anderen....
Zumindest der für den Pre-FL ist angeblich noch lieferbar, soll aber selbst bei amayama.com inkl. allem 300€ kosten.
Aber alte Technik bleibts.

Deshalb überlege ich, ob es da nicht Alternativen gibt? Ob man so einen Sensor auf Basis eines elektronischen Sensor nachbauen kann?

[Kampfkuchen]

Ich hab noch keinen so ganz klaren Grund warum sich das beim 4WD so unterscheidet, klingt erstmal so als wäre hier aber ganz klar der Unterschied zwischen Verzögerung und Beschleunigung festzustellen.

Der G-Sensor ist ein super simples aber ziemlich cleveres System. Eigentlich ist das ein Trafo mit verschiebbarem Kern. Auf der einen Seite wird eine Wechselspannung angelegt, die durch den Trafokern auf die Sekundärspulen übertragen werden. Verschiebt sich der Kern, verschiebt sich auch der Magnetfluss und eine der beiden Spulen bekommt mehr oder weniger des magnetischen Flusses und damit auch mehr oder weniger Energie.
Das hat den großen Vorteil, dass immer die aktuellen Beschleunigungswerte erfasst werden können. Wäre das nur eine passive Spule, dann wäre nur eine Veränderung erfassbar.

Es sollte aber ziemlich einfach sein hier ein replacement zu designen.
ADXL335, der gibt 300mV/g raus und hat bei 0g 1,5V. Laut deinen Infos brauchen wir 625mV/g und bei 0g 2,2V.
Wir brauchen also einen Verstärkungsfaktor von ~2,1x und einen Offset von 700mV.
Eventuell noch zwei Trim-Potis um den Offset und den Verstärkungsfaktor abzugleichen. Könnte entfallen, müsste man mal eine Testschaltung bauen um zu sehen wie groß die Wiederholbarkeit ist.

Ein dualer Operationsverstärker, ein paar Widerstände, Kondensatoren und n Festspannungsregler sollten das hier regeln. Da die maximale Ausgangsspannung <3V ist, kommen wir auch astrein mit 3,3V aus.
Denke ein brauchbares Design würde mich 1-2 Tage kosten. Können wir uns gern mal drüber austauschen, wenn du möchtest.

Eine Kalibrierung ist auch relativ einfach, da man den Sensor einfach hinlegt für den 0-Abgleich und kippt für 1g.

Sind die komplett vergossen? Ist vermutlich ein mechanisches Problem innen.

[Mazda RX-7 SA]

Ich hab noch keinen so ganz klaren Grund warum sich das beim 4WD so unterscheidet, klingt erstmal so als wäre hier aber ganz klar der Unterschied zwischen Verzögerung und Beschleunigung festzustellen.

Die Begründung durch den fix verbundenen Antriebsstrang ist für mich logisch bzw. nachvollziehbar.
Aber über das Warum bzw. Was dann mit dem Ergebnis gemacht wird, kann man nur raten.

Es sollte aber ziemlich einfach sein hier ein replacement zu designen.
ADXL335, der gibt 300mV/g raus und hat bei 0g 1,5V. Laut deinen Infos brauchen wir 625mV/g und bei 0g 2,2V.
Wir brauchen also einen Verstärkungsfaktor von ~2,1x und einen Offset von 700mV.

Das klingt ja schon vielversprechend! Sowas in die Art habe ich gehofft, dass sich sowas umsetzen lässt.
Meinst du jetzt den ADXL335 als "Stand alone", abgesehen von paar zusätzlichen Bauteilen. Also ohne einen eigens programmierten Microcontroller, der den Sensor ausließt und dann die Spannung setzt?

Denke ein brauchbares Design würde mich 1-2 Tage kosten. Können wir uns gern mal drüber austauschen, wenn du möchtest.

Danke für das Angebot!
Melde mich bei dir bei Gelegenheit....

Sind die komplett vergossen? Ist vermutlich ein mechanisches Problem innen.

Ja, vermute auch ein mechanisches Problem.
Allerdings habe ich nicht im Detail geprüft, ob man ihn zerlegen könnte. Selbst wenn, ist fraglich ob eine Reparatur möglich ist.
Da ist mir eine digitale Alternative schon deutlich lieber.

[Kampfkuchen]

Meinst du jetzt den ADXL335 als "Stand alone", abgesehen von paar zusätzlichen Bauteilen. Also ohne einen eigens programmierten Microcontroller, der den Sensor ausließt und dann die Spannung setzt?

Der ADXL335 ist ein Beschleunigungssensor der lediglich eine Versorgungsspannung und vier Kondensatoren benötigt. Jede Achse hat einen analogen Ausgang, so wie einen Kondensator am Ausgang. Der Kondensator bestimmt die Zeitkonstante mit der dein Wert dann aktualisiert wird. Die Spannung am Ausgang beträgt 1/2 der Versorgungsspannung bei 0g, mit jedem g kommen ungefähr 1/10 der Versorgungsspannung obendrauf. Das ganze Ding ist übrigens 4x4x1,45mm groß. Per Hand kann hier auch nicht mehr gelötet werden (16 Pins unterm Gehäuse).
Heißt bei einer Versorgungsspannung von 3V (empfohlen im Datenblatt), hätte man bei 0g 1,5V und pro g 300mV.
Das ist es dann auch schon, kein Mikrocontroller oder irgendwas notwendig.
Da die Spannung so aber nicht auf die Daten des G-Sensor passt müsste man den Verstärkungsfaktor und Offset noch anpassen. Dazu kommen dann Operationsverstärker zum Einsatz. Einmal Faktor ~2,1 drauf, dann hätten wir 3,15V@0g und 630mV/g. Um nun auf 2,2V@0g zu kommen ziehen wir mit einem Differenzierer noch mal 3,15-2,2V = 950mV ab. Um ganz sicher zu gehen hängt man dann noch einen Impedanzwandler dahinter, damit das Ausgangssignal nicht zu hochohmig ist.
Der ADXL335 ist mit ~4€ auch überschaubar günstig.

Die Zeitkonstante des Sensors würde ich an einem original anlehnen. Das müsste man mal vermessen und schauen wie schnell die reagieren, wenn man sie zb mal möglichst schnell kippt. Nach dem WHB ist dort ja ein Silikonöl zur Dämpfung drin. Also irgendwas von 1-10Hz sollte man einstellen.

Die ganze Platine dürfte am Ende ~2,5x2,5cm nicht überschreiten.

[Mazda RX-7 SA]

Achso, der liefert schon ein analoges Ausgangsignal das angepasst verwenden kann.

Da die Spannung so aber nicht auf die Daten des G-Sensor passt müsste man den Verstärkungsfaktor und Offset noch anpassen. Dazu kommen dann Operationsverstärker zum Einsatz. Einmal Faktor ~2,1 drauf, dann hätten wir 3,15V@0g und 630mV/g. Um nun auf 2,2V@0g zu kommen ziehen wir mit einem Differenzierer noch mal 3,15-2,2V = 950mV ab. Um ganz sicher zu gehen hängt man dann noch einen Impedanzwandler dahinter, damit das Ausgangssignal nicht zu hochohmig ist.

Klingt etwas kompliziert. Funktioniert das zuverlässig auch in der Praxis?

damit das Ausgangssignal nicht zu hochohmig ist.

Hilft es da, den Widerstand des Sensors zu messen?

Der ADXL335 ist mit ~4€ auch überschaubar günstig.

Das klingt ja schon deutlich interessanter! Selbst mit allen anderen Bauteilen + Platine sollte das an Material ja unter 50€ machbar sein.

Die Zeitkonstante des Sensors würde ich an einem original anlehnen. Das müsste man mal vermessen und schauen wie schnell die reagieren, wenn man sie zb mal möglichst schnell kippt. Nach dem WHB ist dort ja ein Silikonöl zur Dämpfung drin. Also irgendwas von 1-10Hz sollte man einstellen.

Kann ich versuchen zu messen.

Die ganze Platine dürfte am Ende ~2,5x2,5cm nicht überschreiten.

Selbst 5x5cm wären kein Thema.

[Kampfkuchen]

Klingt etwas kompliziert. Funktioniert das zuverlässig auch in der Praxis?

Tatsächlich - aus elektrotechnischer Sicht - ist das sehr simpel und findet so tausendfach überall Anwendung. Wählt man hier vernünftige Komponenten aus von vernünftigen Herstellern, dann ist das auch sehr robust. Der Sensor ist von Analog Devices, das ist eine DER Firmen für Analogtechnik. Der Chip ist sogar bis 125°C Betriebstemperatur zertifiziert, damit müsste er sogar Automotive-Grade sein. Das würde ich bei den restlichen Komponenten ebenfalls machen. Dann noch - wie im Hobby üblich - übertriebene Schutzbeschaltungen, so dass man das Ding auch mal verpolen kann etc und fertig.

Hilft es da, den Widerstand des Sensors zu messen?

Den Widerstand des ABS-Steuergerät-Einganges eher (zu Masse und Versorgungsspannung des Sensors). Kritisch ist, wenn der Eingang des Steuergerätes den Ausgang des Sensors belastet, kann es sein, dass das Signal in seiner Größe verändert wird, weil der Ausgang zu hochohmig ist und damit nicht belastbar. Das löst der Impedanzwandler aber eigentlich ganz gut.
Alternativ könnte man auch schauen wie stark der Sensor belastbar ist, also wie viel Strom man am Ausgang bekommt. Für die Messung wäre auch ein defekter ausreichend.

Das klingt ja schon deutlich interessanter! Selbst mit allen anderen Bauteilen + Platine sollte das an Material ja unter 50€ machbar sein.

Grob überschlagen hätte ich nicht mal die hälfte gesagt. Alles Material zusammen sind vermutlich 7€, vielleicht 10€. Die Platine wäre bei JLCPCB mit 40ct/Stk dabei. Bestückung wäre das teuerste. Das waren pauschal glaube ich so 20€, heißt wenn man 5 macht, dann wird das entsprechend pro Stück günstiger. Aber das ist nicht so schlimm, ich würde das Projekt so aufziehen, dass man den Sensor auch anderweitig nutzen kann, mit optionalen Ausgängen um ggf. auch alle 3 Achsen in einen Mikrocontroller einzulesen, somit wäre das ganze nicht nur auf diese Anwendung beschränkt.

[Mazda RX-7 SA]

OK, danke klingt nachvollziehbar.

Aber trotzdem noch eine Idee.
Welche Vor- bzw. Nachteile gibt es bei einem digitalen Sensor? Also z.b. einem ADXL345 an einen kleinen Microcontroller gehängt.

[Kampfkuchen]

Vorteil wäre ganz klar eine flexiblere Nutzung der Sensordaten. Man könnte Offset und Gain per Parameter anpassen, ggf. noch eine eigene Fehlerkorrektur einbauen, Selbstkalibrierung u.s.w.

Nachteil ist, dass du deutlich mehr störanfällige Bauteile hast. Du hast einen Bus, der wenn er nicht richtig läuft, auch keine Daten mehr liefert. Ein Mikrocontroller für den du erstmal die Firmware schreiben musst und wenn du Parameter ändern möchtest kommst du ums Flashen nicht drumrum. Und die ganzen Vorteile muss auch erstmal jemand programmieren. Die Anfälligkeit für Fehler ist durch Software auch noch deutlich größer. Der Controller könnte abstürzen oder generell Software-Bugs könnten auch zu unerwartetem Verhalten führen. Das müsste man auch alles testen, was bei Software weniger trivial ist als zb bei einer analogen Schaltung. Jeder Sensor müsste zudem erstmal mit Firmware bespielt werden. Außerdem wäre dann auch noch ein DAC notwendig.

Ich will nicht sagen, dass meine Lösung die geilere ist. Ich denke nur, dass sie vom Aufwand die deutlich angenehmere ist, besonders was Fehleranfälligkeit angeht. Und letztlich muss da nur n analoger Wert raus, den der ADXL335 quasi schon standalone liefert.

Ich hab mal fix was simuliert.

V1 ist quasi ein Dummy-Sensor, der hier den ADXL335 simulieren soll. Das Ausgangssignal entspräche 0g und dann einer Drehung um die gemessene Achse innerhalb einer Sekunde.
V2 und V3 sind nur Versorgungsspannungen. R3 und R4 bilden unsere Spannungsreferenz für den Offset von 800mV, U8 wandelt die Impedanz, damit die Referenzspannung durch den Subtrahierer nicht verzerrt wird.
U1 ist ein Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor = 2
U5 ist ein Subtrahierer der von dem von U1 verstärkten Signal 800mV abzieht.
U6 ist wieder nur ein Impedanzwandler um das Signal "belastbar" zu machen.


Als Sensor-Signal habe ich mal zuerst 100ms "0g" aka 1,5V angelegt und anschließend einen Sinus mit 1Hz und einem maximalen Ausschlag von +-300mV, also +-1g. Das ist die grüne Linie.
Blau ist die 1. Verstärkerstufe mit Faktor 2, die Spannung ist danach also doppelt so hoch(inklusive Offset).
Rot ist die Ausgangsspannung nach der letzten Stufe. Von der verstärkten Spannung werden dann noch mal 800mV abgezogen, damit wir dann auf 2,2V +-600mV kommen.
Wie man auf dem Bild sieht bin ich mit der groben Schaltung schon bei fast exakt 2,2V und die Amplitude passt auch schon fast exakt. Ich glaube aber, dass das der Genauigkeit schon mehr als genüge tut.


Abgesehen vom Sensor ist das eigentlich schon 95% der Schaltung die nötig wäre, inkl. der meisten passenden Werte. Die Operationsverstärker sind nicht die, die ich nehmen würde, gibt es aber so in LTSpice nicht viel anders. Die Beschaltung ringsrum bliebe aber.
Was noch fehlt wäre eine Spannungsversorgung für die 3V des Sensors und 5V für die Operationsverstärker, aber auch das sind nur wenige Bauteile.
So ein Vierfach-Operationsverstärker kostet auch nur 1€ und ist kompakt in einem Gehäuse, da käme mir zb TLV9004 in den Sinn. Den gibt es in einem 3x3mm Gehäuse und kostet dann ~30ct.

Edit:
Langeweile macht's möglich:


Was noch fehlt wären ein bisschen Schutz am Eingang und Ausgang, damit hier auch ESD- und Verpolschutz gegeben wäre und ein Steckverbinder. Sonst wäre das so eigentlich fertig, denke ich...


1,4*1,7cm bis jetzt.

Preis für 5Stk wäre nach aktuellem Stand und komplett bestückt 125€. Wirklich verändern wird sich das eher nicht mehr.

[Mazda RX-7 SA]

Cool! Da hast dir ja schon etwas Arbeit gemacht... Danke auf alle Fälle!
Muss ich mir in Ruhe mal durch denken, aber auf die Schnelle klingt das schon plausibel.

[Kampfkuchen]

Wenn man weiß was man machen muss ist das zum Glück nur Fleißarbeit, ging aber Recht schnell. Letztlich mein Beruf.

Bevor ich da irgendwas bestelle müsste man final eh einmal testen ob das real so klappt wie in der Simulation. Bei der nächsten Bestellung werde ich Mal die kritischen Bauteile bestellen und was zusammen frickeln, dann wäre nur noch die Frage ob das Steuergerät die Daten so akzeptiert.

[Kampfkuchen]

So, bin quasi fertig. Platine ist nun komplett einseitig bestückt, 2,5x2,5cm groß. Das einzige was noch fehlt ist n vernünftiger Schutz gegen Überspannung/ESD und Verpolschutz. Aber von der Funktion sollte das schon fertig sein.

Aktueller Preis für Herstellung + Bestückung wären 78€ für 5 Stück. Macht dann also ~16€ das Stück.

Wenn wir also ein bisschen rumgetestet haben und nichts weiter auffällt, sondern alles soweit klappt, ließe es sich so bestellen.

[Mazda RX-7 SA]

Top!
Danke vielmals!

[Kampfkuchen]

Ich hab heute mal etwas Zeit gehabt und das Ding aufgebaut.

Leider fehlen mir zwei Bauteile, aber die konnte ich provisorisch ersetzen. Das Ding macht erstmal was, aber nicht so wie es soll. Ich hab bei 0G eine Ausgangsspannung von 2,3V - das ist schon mal nah dran. Aber der Verstärkungsfaktor passt nicht, kippe ich den Sensor komplett nach vorn, also 1G, habe ich nur 2,5V. Da müsste ich dann nach Datenblatt +0,625V haben. Mir scheint aber als hätte ich hier gar nicht die richtigen Werte in den Schaltplan eingetragen - da wäre der Verstärkungsfaktor gerade mal 1:1 und der ADXL335 hat 300mV pro G, das muss natürlich Faktor 2 sein.

[Mazda RX-7 SA]

Schade.
Hast du schon Ideen wie es vielleicht doch geht?