DE102007023396B4

DE102007023396B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals

Info

Publication number: DE102007023396B4
Application number: DE200710023396
Authority: DE
Inventors: Bernd Wittmann; Stefan Diestler; Helmut Sesselmann; Wolf-Christian MÜLLER
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2027-05-19
Also published as: DE102007023396A1

Abstract

Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals, das von einem magnetfeldsensitiven Sensor (2) erzeugt wird, der dem sich ändernden Magnetfeld eines Elektromotor (10) ausgesetzt ist und ein analoges Sensorsignal (S_H) ausgibt,
– bei dem durch Phasenverschiebung des analogen Sensorsignals (S_H) ein phasenverschobenes Analogsignal (S_PT, S_P) erzeugt wird,
– bei dem durch eine Differenzbildung des Sensorsignals (S_H) und des phasenverschobenen Analogsignals (S_PT, S_P) ein digitales Auswertesignal (S_ST) erzeugt wird, das einen ersten Wert (H) annimmt, wenn die Differenz zwischen dem Sensorsignal (S_H) und dem phasenverschobenen Analogsignal (S_PT, S_P) einen ersten Schwellwert (U_r, U₁) überschreitet, und das einen zweiten Wert (L) annimmt, wenn die Differenz zwischen dem Sensorsignal (S_H) und dem phasenverschobenen Analogsignal (S_P) einen zweiten Schwellwert (U_r, U₂) unterschreitet, und
– bei dem das Auswertesignal (S_ST) zur Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors (10) herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals, das von einem magnetfeldsensitiven Sensor erzeugt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Erzeugung und Auswertung eines derartigen, insbesondere von einem Hall-Sensor erzeugten analogen Sensorsignals.
Zur Erfassung oder Bestimmung der Drehzahl, der Drehrichtung und/oder der Rotorlage des Rotors eines Elektromotors werden häufig Hall-Sensoren in Verbindung mit einem ein Magnetfeld erzeugenden mehrpoligen Signalgeber eingesetzt. Der magneto- oder magnetfeldsensitive Hall-Sensor liefert infolge des sich bei der Drehbewegung des Rotors am Sensorort ändernden Magnetflusses ein periodisches Signal mit einer der Anzahl der magnetischen Polpaare entsprechenden Anzahl von rechteckförmigen Signalperioden. Aus der Anzahl der Signalperioden einerseits und aus der Periodendauer andererseits können die Motordrehzahl und die Rotorlage bestimmt werden. Insbesondere für die Lage- oder Positionsauflösung ist hierbei die Anzahl der magnetischen Pole oder Polpaare maßgeblich.
Aus der DE 198 35 091 C1 ist es bekannt, bei einem elektromotorisch angetriebenen und mit einem Einklemmschutz ausgerüsteten Fensterheber zum Heben und Senken einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges die Drehzahl des Antriebs und damit die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Fensterscheibe sowie die Bewegungsrichtung und die Stellung oder Position der Fensterscheibe mittels zwei zueinander um den Bruchteil einer Periode versetzt angeordneten Hall-Sensoren in Verbindung mit einem mehrpoligen Ringmagneten zu erfassen, der als Signalgeber auf der Motorwelle sitzt. Die beiden Hall-Sensoren liefern digitale Sensorsignale mit entsprechend der versetzten Anordnung der Hall-Sensoren zueinander zeitlich versetzten Rechteckimpulsen. Die beiden digitalen Sensorsignale werden hinsichtlich deren Periodenzahl und Periodendauer drehrichtungsabhängig zur Positionsbestimmung der Fensterscheibe und zur Detektion eines Einklemmfalls (Einklemmschutz) ausgewertet. Die Auflösung ist dabei aufgrund der relativ geringen Pol- oder Polpaarzahl des üblicherweise vier- bis achtpoligen Ringmagneten nur begrenzt. Zudem können Schwergängigkeiten des gesamten Verstellsystems inkl. der Fensterscheibe zwar über die sich demzufolge ändernde Periodendauer oder das sich ändernde Puls-Pausen-Verhältnis des entsprechenden digitalen Sensorsignals quantitativ erkannt, jedoch nicht oder nur bedingt bezüglich deren Ursache qualifiziert werden, zumal das digitale Sensorsignal diesbezüglich über die Änderung der Periodendauer hinaus keinerlei weitere Informationen liefert.
Anstelle eines zusätzlichen mehrpoligen Ringmagneten als Signalgeber kann der Hall-Sensor auch derart positioniert sein, dass dieser die bei einem Elektro- oder Gleichstrommotor betriebsbedingt auftretenden Magnetfeldänderungen direkt erfasst. Als Signalgeber dient dann praktisch der mit einer stromdurchflossenen Ankerwicklung versehene Rotor, während der Hall-Sensor im, am oder in der Nähe des permanentmagnetischen Stators angeordnet ist.
So ist es aus der DE 195 23 902 C2 bekannt, den Hall-Sensor in eine Ausnehmung eines von mindestens zwei Magnetpole bildenden Permanentmagneten einzusetzen und die bei einer Drehung des Motors auftretenden Magnetfeldänderungen, die infolge der während der Ankerdrehung am Sensorort alternierenden Ankerzähne und Ankernuten erzeugt werden, zu erfassen. Diese durch das Ankerfeld verursachten Magnetflussänderungen werden beeinflusst durch das so genannte Ankerquerfeld, das auf Grund der stromdurchflossenen Ankerwicklungen betriebsbedingt entsteht.
Bei der bekannten Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung eines Elektromotors soll das Ankerquerfeld durch entsprechende Maßnahmen ausgeblendet werden. Mit Mitteln zur Beseitigung oder zumindest zur Reduzierung des Einflusses des Ankerquerfeldes in dem Sensorsignal beschäftigt sich auch die DE 42 21 424 A1 , bei der der Hall-Sensor am Polrohr oder Polgehäuse des Elektromotors im mittleren Bereich eines der statorseitigen Permanentmagneten angeordnet ist.
Aus der US 6,459,261 B1 und US 6,717,399 B2 ist es bekannt, zur Kompensation des in einem analogen Sensorsignals enthaltenen Offsets den Wechselanteil des eingangsseitigen Analogsignals mittels eines Tiefpassfilters herauszufiltern und mittels eines Komparators das zuvor verstärkte Analogsignal mit dessen Gleichanteil zu vergleichen. Dabei ist der das Analogsignal liefernde Sensor weder dem sich ändernden Magnetfeld eines Elektromotors ausgesetzt, noch wird das mittels der Komparatorschaltung generierte Auswertesignal zur Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors herangezogen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur besonders effizienten Auswertung eines Sensorsignals eines magnetfeldsensitiven Sensors, insbesondere zur Drehzahl-, Drehrichtungs- und/oder Positionserkennung eines Elektromotors bzw. eines elektromotorisch betriebenen Verstellsystems eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise eines Fensterhebers, anzugeben. Des Weiteren soll eine hierzu besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Hierzu werden ein von einem magnetfeldsensitiven, d. h. einem Magnetfeld ausgesetzten Sensor ein analoges Sensorsignal erzeugt und das analoge Sensorsignal insbesondere hinsichtlich dessen Wechselanteil verarbeitet und ausgewertet. Die Auswertung des Wechselanteils des analogen Sensorsignals führt zu einer besonders hohen Signalauflösung und damit zu einer besonders präzisen Positionserkennung. So ist im Falle eines Elektromotors, bei dem der Sensor dem sich ändernden Magnetfeld des Elektromotors ausgesetzt ist, die Signalauflösung aufgrund der üblicherweise hohen Anzahl von Ankerzähnen bzw. Ankernuten des Rotors gegenüber der hierzu vergleichsweise geringen Polzahl eines Ringmagneten bestimmt, wobei die Periodenzahl pro Motor- oder Rotorumdrehung der Anzahl der Ankerzähne bzw. Ankernuten des Rotors (Ankers) entspricht. Der Sensor ist insbesondere ein linearer oder analoger Hall-Sensor.
In dem analogen Sensorsignal ist gegenüber einem digitalen Sensorsignal zusätzlich die sich aus einer betriebsbedingten Offset-Änderung resultierende Information enthalten, die wiederum im Gleichanteil des analogen Sensorsignals enthalten ist. Um diese, im Gleichanteil des analogen Sensorsignals enthaltenen Informationen auswerten zu können, wird dieser Gleichanteil aus dem analogen Sensorsignal separat ausgewertet. Hierzu wird das analoge Sensorsignal vorzugsweise über einen Tiefpass geführt, der dann ausgangsseitig ein den zeitlichen Verlauf und die Betragsänderungen des Gleichanteils des analogen Sensorsignals repräsentierendes Auswertesignal liefert. Diese Auswertung des Gleichanteils des analogen Sensorsignals wird vorzugsweise zur Ermittlung des Anlaufens, zur Überwachung des Einlaufens in eine Blocksituation, zur Detektion eines Einklemmfalls und/oder zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors bzw. eines elektromotorischen Verstellantriebs eines Kraftfahrzeuges herangezogen.
Die Auswertung des Wechselanteils erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Differenzbildung des analogen Sensorsignals und des zweckmäßigerweise phasenverschoben (duplizierten) analogen Sensorsignals. Mit diesem Verfahrensschritt wird ein digitales Auswertesignal erzeugt, das einen ersten Wert, beispielsweise einen High-Pegel, annimmt, wenn die Differenz zwischen dem analogen Sensorsignal und dem phasenverschobenen Analogsignal einen ersten Schwellwert überschreitet, und das einen zweiten Wert, z. B. den Low-Pegel, annimmt, wenn diese Differenz einen Schwellwert unterschreitet.
Die Schwellwerte können dabei gleich sein. Auch kann ein Schwellwert vorgegeben werden, der dann infolge der Hysterese eines vorzugsweise als Vergleicherschaltung herangezogenen Schmitt-Triggers zu entsprechend unterschiedlichen Schwellspannungen, d. h. einer oberen Schwellspannung und einer unteren Schwellspannung führt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders effektive Signalauswertung eines von einem magnetfeldsensitiven Sensors gelieferten analogen Signals erreicht werden kann, da in diesem im Gegensatz zu einem digitalen Sensorsignal zusätzliche Informationen über betriebsbedingt verursachte Offset-Schwankungen erhalten bleiben. Diese wiederum spiegeln sich im Gleichanteil des analogen Signals wider und können somit bei einer entsprechenden Separierung dieses Gleichanteils zusätzlich ausgewertet werden.
Nun werden gerade diese Offset-Änderungen bzw. Änderungen des Gleichanteils des analogen Sensorsignals hervorgerufen durch das sich betriebsbedingt ändernde Ankerquerfeld eines Elektromotors. So nimmt der Einfluss des Ankerquerfelds auf die durch das Ankerfeld und das Erregerhauptfeld des Elektromotors erzeugten Magnetfeld- oder Flussänderungen mit steigendem Ankerwicklungsstrom zu. Die Stromzunahme wiederum ist proportional zum erreichten oder geforderten Drehmoment des Elektromotors und über dessen Motorkennlinie wiederum proportional zur Motordrehzahl. Ein infolge einer Schwergängigkeit bedingtes erhöhtes Motormoment spiegelt sich somit in einer Erhöhung des Anteils des Ankerquerfelds wieder, was sich wiederum in dem Verlauf oder der Änderung des Offsets bzw. des Gleichanteils des Sensorsignals niederschlägt und demnach zur Bestimmung bestimmter, gewünschter Betriebparameter des Elektromotors ausgewertet werden kann.
So können aus dem Verlauf des Gleichanteils des analogen Sensorsignals bzw. dessen Offset-Änderung auf einen Einklemmfall erkannt und eine Drehrichtungsänderung sowie das Anfahr- und/oder Einlaufverhalten des Elektromotors bei einer so genannten Blockfahrt, bei der ein angetriebenes Verstellelement (Kraftfahrzeugscheibe) in einen Dichtungsblock einfährt, einfach und zuverlässig ermittelt werden.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Varianten sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Die Vorrichtung umfasst einen magnetfeldsensitiven Sensor oder ein entsprechendes Sensorelement, insbesondere einen analogen Hall-Sensor, der das analoge Sensorsignal erzeugt. Beim Einsatz in einem Elektro- oder Gleichstrommotor ist das magnetfeld- oder magnetosensitive Element des Sensors derart orientiert, dass dieses das Ankerquerfeld des Elektromotors zumindest teilweise erfasst. Hierzu ist das Sensorelement bzw. die magnetfeldsensitive Fläche des Sensors im Wesentlichen parallel zum Erregerhauptfeld und quer zum Ankerquerfeld ausgerichtet, so dass diese sensitive Fläche in einem radialen Winkel, vorzugsweise jedoch senkrecht zum Ankerquerfeld steht und von dessen Magnetfeldlinien durchsetzt wird.
Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine geeigneterweise elektronische Auswerteschaltung, die im Wesentlichen einen vorzugsweise als Schmitt-Trigger ausgeführten oder beschalteten Komparator als Vergleicherschaltung zur Erzeugung eines digitalen Auswertesignals aus dem analogen Sensorsignal und dem phasenverschobenen Analogsignal des Sensors aufweist. Die Vergleicherschaltung vergleicht die Differenz zwischen dem analogen Sensorsignal und dem phasenverschobenen Analogsignal mit mindestens einem Schwellwert, bei dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Wechsel des ausgangsseitigern Schaltzustandes des Auswertesignals zwischen einem maximalen und einem minimalen Spannungswert erfolgt.
Die Phasenverschiebung des analogen Sensorsignal erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines Tiefpasses. Dieser ist ausgangsseitig mit einem Eingang der Vergleicherschaltung verbunden. An den anderen Eingang der Vergleicherschaltung ist dann das nicht phasenverschobene analoge Sensorsignal geführt. Der Ausgang der Vergleicherschaltung wechselt dann seinen Schaltzustand, wenn die Differenz zwischen dem analogen Sensorsignal und dem phasenverschobenen Analogsignal einen Schwellwert über- oder unterschreitet, oder aber größer gleich null bzw. kleiner null ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einem Blockschaltbild eine Auswerteschaltung für ein analoges Sensorsignal eines magnetfeldsensitiven Sensors,
2 in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Signalverlauf an exponierten Messpunkten der Auswerteschaltung gemäß 1,
3 in einer Schnittdarstellung einen Elektromotor mit den Feldlinienverläufen eines stationären magnetischen Erregerhauptfeldes und eines Ankerquerfeldes sowie der Anordnung des magnetfeldsensitiven Sensors im Bereich eines statorseitigen Permanentmagnetpols, und
4 einen typischen Verlauf eines analogen Sensorsignals bei einem Drehrichtungswechsel eines Elektromotors über die Zeit im Vergleich zu einem sensorisch erfassten digitalen Sensorsignal.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Auswerteschaltung 1 dient in Verbindung mit einem Sensor 2 als Vorrichtung zur Erzeugung und Auswertung eines analogen Sensorsignals S_H, das von einem linearen oder analogen Sensor 2 erzeugt wird. Der Sensor 2 ist magnetfeldsensitiv, wobei dessen Arbeits- oder Funktionsprinzip auf dem galvanometrischen Effekt, insbesondere dem Hall-Effekt, dem magnetoresistiven oder dem Giant-Magneto-Resistence Effekt (AMR- bzw. GMR-Effekt) beruhen kann.
Die Auswerteschaltung 1 weist (strichliniert dargestellt) eine Vergleicher- oder Koparatorschaltung bzw. ein Vergleichermodul 3 und eine Schaltung bzw. ein Modul 4 zur Impedanzwandlung sowie eine diesem nachgeordnete Schaltung 5 zur Phasenverschiebung des analogen Sensorsignals S_H auf.
Das analoge Sensorsignal S_H wird einerseits der Schaltung 5 zur Phasenverschiebung und andererseits direkt der Vergleicherschaltung 3 zugeführt. Zudem kann das analoge Sensorsignal S_H auch einem weiteren Tiefpass 6 direkt zugeführt werden. Dieser liefert ausgangsseitig ein tiefpassgefiltertes, den Verlauf des Gleichanteils U_DC, ΔU_DC des analogen Sensorsignal S_H repräsentierendes Signal S_HT und ist ausgangsseitig mit dem Eingang E_A eines weiteren Auswertemoduls 7 verbunden, das auch in die Auswertevorrichtung 1 integriert sein kann. An den Eingang E_A des Auswertemoduls 7 kann prinzipiell auch das ausgangsseitig am Tiefpass 5 der Auswerteschaltung 3 abgreifbare Signal S_PT geführt sein.
Die Schaltung 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärker OP₁ gebildet. Dessen Eingang E₍₊₎ ist mit dem Ausgang des Sensors 2 verbunden, so dass an diesen Eingang E₍₊₎ das analoge Sensorsignal S_H geführt ist. Der invertierende Eingang E_(–) des Operationsverstärkers OP₁ ist direkt mit dessen Ausgang A₁ verbunden.
Die Schaltung 5 ist in einfacher Weise als passiver Tiefpass erster Ordnung ausgeführt und umfasst hierzu den seriellen ohmschen Widerstand R₃ sowie den mit diesem verbundenen und gegen Masse geschalteten Kondensator C₁. Der Eingang der nachfolgend auch als Tiefpass bezeichneten Schaltung (Tiefpass-Schaltung) 5 ist über den Widerstand R₃ mit dem Ausgang A₁ des Operationsverstärkers OP₁ verbunden. Ausgangsseitig ist der Tiefpass 5 mit dem invertierenden Eingang E_(–) eines Operationsverstärkers OP₂ der Vergleicherschaltung 3 verbunden.
Die Vergleicherschaltung 3 weist einen Komparator in Form des Operationsverstärkers OP₂ auf, der als Schmitt-Trigger 8 beschaltet ist. Hierzu ist der Operationsverstärker OP₂ über ein aus den ohmschen Widerständen R₁ und R₂ gebildeten Widerstandsnetzwerk in Mitkopplung beschaltet. Dabei ist der Eingang E₍₊₎ des Operationsverstärkers OP₂ des Schmitt-Triggers 8 an eine Mittelanzapfung zwischen den Widerständen R₁ und R₂ geführt. Der Widerstand R₂ ist andererseits mit dem Eingang E₍₊₎ des Operationsverstärkers OP₂ der Auswerteschaltung 1 sowie mit dem Ausgang A_S des Sensors 2 verbunden. Die Versorgungsspannungen U_V(+) und U_V(–) des Operationsverstärkers OP₂ betragen im Ausführungsbeispiel 5 V bzw. 0 V (Masse oder Ground).
Über das Widerstandsverhältnis R₁/R₂ sind die Schaltschwellen U₁ und U₂ für das Ein- und Ausschalten und somit für das Umschalten oder den Wechsel der über einen Serienwiderstand R₄ am Ausgang A₃ des Schmitt-Triggers 8 als Auswertesignal S_ST abgreifbaren Schaltzustände zwischen einem High-Pegel (H oder logisch „1”) und einem low-Pegel (L bzw. logisch „0”) eingestellt. Dabei weichen aufgrund der Hysterese des Schmitt-Triggers 8 die obere Schaltschwelle U₁ und die untere Schaltschwelle U₂ des Schmitt-Triggers 8 von der durch das Widerstandsnetzwerk R₁, R₂ eingestellten oder vorgegebenen Schwellspannung U_r geringfügig zu einem höheren bzw. niedrigeren Spannungswert ab, so dass U₂ < U_r < U₁ ist. Die Höhe der Schaltschwellen U₁ und U₂ ist dabei vom Spannungswert der Schwellspannung U_r und von der Versorgungsspannungen U_V(+) bzw. U_V(–) abhängig.
Das analoge Sensorsignal S_H gelangt über den Widerstand R₂ direkt an den Eingang E₍₊₎ des Schmitt-Triggers 8 und andererseits über die Schaltung 4 zur Phasenverschiebung und den Tiefpass 5 phasenverschoben und tiefpassgefiltert als phasenverschobenes Analogsignal S_PT an den invertierenden Eingang E_(–) des Operationsverstärkers OP₂ des Schmitt-Trigger 8. Dessen Ausgang A₃ ist mit einem Entsörkondensator C₃ sowie parallel hierzu mit einer Diode D₁ für einen High- oder TTL-Pegel (Transistor-Transistor-Logik) von typisch 5 V beschaltet.
2 zeigt die Signalverläufe U(t) der an den exponierten Stellen gemäß 1 gemessenen Signale S_H, S_PT und S_ST. Erkennbar ist die Phasenverschiebung zwischen dem analogen Sensorsignal S_H und dem phasenverschobenen Sensorsignal S_H, also dem phasenverschobenen Analogsignals S_PT. Durch Differenzbildung ΔU(t) zwischen dem analogen Sensorsignal S_H und dem phasenverschobenen Analogsignal S_PT mittels des Schmitt-Triggers 8 schaltet dieser ausgangsseitig periodisch zwischen dem maximalen Spannungswert (H = U_max ~ U₁) und dem minimalen Spannungswert (L = U_min ~ U₁) um. Durch diese Schaltwechsel zwischen H („1”) und L („0”) wird am Ausgang des Schmitt-Triggers 8 das digitale Auswertesignal S_ST gebildet.
Die Differenzbildung zwischen den beiden Signalen S_H und S_PT ermöglicht die Separierung des Wechselanteils U_AC aus dem analogen Sensorsignal S_H von dessen Gleichanteil U_DC und somit die zuverlässige Auswertung des analogen Sensorsignal S_H auch bei Schwankungen oder Änderungen des Gleichanteils bzw. Offsets U_DC des Sensorsignal S_H. Die Gleichanteil U_DC bzw. dessen Änderungen oder Schwankungen ΔU_DC werden in dem Auswertemodul 7 ausgewertet.
3 zeigt als vorteilhaftes Anwendungsbeispiel in einer Schnittdarstellung einen Elektromotor 10, der in nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise der Antriebsmotor eines Verstellantriebs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Fensterheberantriebs, ist. Im Kreuzungspunkt der beiden strichpunktierten, zueinander senkrecht verlaufenden Linien 13 und 14 sitzt die Antriebs- oder Motorwelle 15 des Elektromotors 10. Diese verläuft gemäß dem dargestellten Koordinatensystem in X-Richtung und damit senkrecht zur Zeichenebene. Die gedachte Verbindungslinie 14 verläuft zwischen einem magnetischen Nordpol N und einem magnetischen Südpol S in Z-Richtung. Die Antriebswelle 15 ist in nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise über Koppelelemente mit dem Verstellelement, beispielsweise mit einer Fensterscheibe, eines Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Der Antriebs- oder Elektromotor 10 weist innerhalb eines Poltopfes 16 einen 2-poligen Motormagneten in Form von Permanentmagneten mit dem Nordpol (N) 17a und dem diesen gegenüberliegend angeordneten Südpol (S) 17b sowie einen um die mit der Ankerwelle 15 zusammenfallende Drehachse drehbar angeoordneten Motoranker oder Rotor 18 auf. Dieser wiederum umfasst im Ausführungsbeispiel acht Ankerzähne 18a und eine entsprechende Anzahl von dazwischen liegenden Ankernuten 18b auf. Die Ankerzähnen 18a sind mit einem Wickelstrang einer bestrombaren Motorwicklung 19 bewickelt. Ist die Motorwicklung 19 stromdurchflossen, so ist die Stromrichtung des resultierenden Ankerstromes I_A in den mit einem Punkt versehenen Wicklungsabschnitten aus der Zeichenebene herausgerichtet und somit in (positiver) X-Richtung, während bei den mit einem Kreuz versehenen Wicklungsabschnitten die Stromrichtung des Ankerstroms in die Zeichenebene hinein und somit in (negativer) X-Richtung verläuft.
In den Elektromotor 10 ist der Sensor 2 integriert. Der Sensor 2 liefert ausgangsseitig das analoge Sensorsignal S_H, das mittels der Auswerteschaltung 3 zur Positionserkennung des von dem Elektromotor 10 bewegten Verstellelementes, zur Drehzahlbestimmung und zur Erkennung der Drehrichtung des Rotors 8 ausgewertet wird. In Verbindung mit der Auswerteschaltung 1 ist der Sensor 2 zudem geeignet, das Motormoment zu ermitteln.
Der beispielsweise als linearer oder analoger Hall-Sensor 2 ausgeführte Sensor weist eine sich in der XZ-Ebene liegende magnetfeldsensitive Sensorfläche 20 auf. Diese ist zweckmäßigerweise zumindest annähernd parallel zum Erregerhauptfeld B_E und quer zum Ankerquerfeld B_A des Elektromotors 10 orientiert. Auch kann die Sensorfläche 20 um einen Winkel α aus der XZ-Ebene in Y-Richtung geneigt oder schräg verlaufend angeordnet sein. Wie durch den strichlinierten Kreis angedeutet, kann der Sensor 2 auch im Bereich des gegenüberliegenden Südpols S an einer geeigneten Position P_S angeordnet sein.
Durch die Anordnung des Sensors 2, der aufgrund der Orientierung dessen Sensorfläche 20 dem Ankerquerfeld B_A ausgesetzt ist, erfolgt aufgrund des Hall-Effektes eine Ladungstrennung oder -verschiebung im von einem Sensorstrom durchflossenen Sensor 2. Das dadurch am Sensor 2 abgreifbare Signal S_H, d. h. dessen Spannungswert U_H, ist gemäß der Beziehung U_H ≈ I_H·B bei konstantem Sensorstrom I_H proportional zu den Änderungen des Ankerquerfeldes B_A, das wiederum proportional zum die Motorwicklung 19 durchfließenden Ankerstrom I_H ist. Das Ankerquerfeld B_A wiederum ist lastabhängig, so dass sich Schwergängigkeiten des vom Elektromotor 10 angetriebenen Verstellelementes in einer entsprechenden Änderung des Ankerstroms I_A widerspiegeln.
Während einer Drehung des Motorankers 18 passieren alternierend, also zeitlich aufeinander folgend Ankerzähne 18a und Ankernuten 18b den ortsfesten Sensor 2. Dies resultiert in einem sich periodisch ändernden magnetischen Ankerfeld, was vom Sensor 2 erfasst wird und sich im analogen Sensorsignal S_H entsprechend widerspiegelt. Aufgrund der dargestellten Orientierung der Sensorfläche 20 erfasst der Sensor 2 im Wesentlichen oder zumindest auch das sich proportional mit dem Ankerstrom I_A ändernde Ankerquerfeld B_A. Ein sich betriebsbedingt änderndes Ankerquerfeld B_A spiegelt sich in einer entsprechenden Änderung des Gleichanteils (Gleichspannungsanteils) U_DC des analogen Sensorsignal S_H wider, wie dies in 2 veranschaulicht und anhand der 4 für konkrete Betriebsfälle des Elektromotors 10 verdeutlicht ist.
So zeigt 4 wiederum den zeitlichen Signalverlauf des analogen Sensorsignals S_H. Des weiteren dargestellt ist der Signalverlauf eines zeitgleich von einem digitalen Hall-Sensor in Verbindung mit einem beispielsweise 4-poligen Ringmagnet erzeugten digitalen Sensorsignals S_D. Für die weitere Erläuterung ist das dargestellte Signalfeld U(t) in drei Zeitabschnitte Δt₁, Δt₂ und Δt₃ unterteilt. Der Zeitabschnitt Δt₁ repräsentiert einen kontinuierlichen Motorbetrieb des Elektromotors 10 in einer Drehrichtung, beispielsweise den Linkslauf oder einen eine Fensterscheibe in die Offenstellung verfahrenden Fensterheber eines Kraftfahrzeugs. In diesem Zeitfenster Δt₁ ist der Gleichanteil U_DC des Sensorsignals S_H zumindest annähernd konstant.
Erkennbar ist, dass die Anzahl der Perioden des analogen Sensorsignals S_H wesentlich größer ist als die Anzahl der Perioden des digitalen Sensorsignals S_D. Dies bereits führt zu einer wesentlich höheren Auflösung, was wiederum für eine vergleichsweise exakte Positionserkennung der Rotorlage und damit für eine entsprechen hoch auflösende Positionsbestimmung eines mit dem Rotor 18 gekoppelten Verstellelementes, beispielsweise der Fensterscheibe des Kraftfahrzeugs, besonders vorteilhaft ist.
Die Auswertung des Wechselanteils U_AC des analogen Sensorsignals S_H mittels der Auswerteschaltung 1 ermöglicht somit einfach und präzise die Bestimmung der Motordrehzahl n sowie die Ermittlung der Rotorlage des Motorankers 18 und damit der Position des Verstellelementes bzw. der Fensterscheibe. Die Drehrichtung des Elektromotors 10 repräsentiere dabei die Bewegung des Verstellelementes in die Schließstellung, d. h. bei einer Fensterscheibe deren Verstellbewegung in eine Dichtung oder einen Dichtungsblock einer oberen Türrahmendichtung einer Kraftfahrzeugtür.
Der mittlere Zeitabschnitt Δt₂ repräsentiert ein Abbremsen des Elektromotors 10, was sich einerseits in einer Erhöhung der Amplitude des analogen Sensorsignals S_H sowie andererseits in einer zunehmenden Verlängerung der Periodendauer des analogen Sensorsignals S_H widerspiegelt. Zudem ist eine Offset-Änderung mit einem demzufolge zunehmenden Gleichanteil ΔU_T des analogen Sensorsignal S_H erkennbar. Diese in der Änderung ΔU_DC des Gleichanteils U_DC enthaltene Information ist in dem digitalen Sensorsignal S_D nicht enthalten. Grund hierfür ist, dass die obere Schwelle des digitalen Sensorsignals S_D bereits überschritten und somit weitere Überschreitungsänderungen vom digitalen Hall-Sensor nicht differenziert werden können.
Diese, in dem analogen Sensorsignal S_H enthaltenen Informationen können mittels der Auswertevorrichtung 1 hinsichtlich einer Drehrichtungsänderung, der Detektion einer Schwergängigkeit, insbesondere eines Einklemmfalls, einer Anfahrsituation oder einer Einfahrsituation des Verstellelementes in eine Blockposition und somit geeigneterweise zur Drehrichtungserkennung und für einen zuverlässigen Einklemmschutz ausgewertet werden.
Der dritte Zeitabschnitt Δt₃ repräsentiert das Betriebsverhalten des Elektromotors 10 bei zunehmend konstanter Drehzahl und – analog zum ersten Zeitabschnitt Δt₁ – zumindest annähernd konstanter Motorbelastung in der zum Zeitabschnitt Δt₁ entgegengesetzten Drehrichtung des Elektromotors 10, beispielsweise einen die Fensterscheibe in die Schließrichtung verfahrenden Fensterheber. Die annähernd konstante Motorbelastung des Elektromotors 10 in den Zeitabschnitten Δt₁ und Δt₃ ist erkennbar an dem annähernd konstanten Offset und damit dem annähernd konstanten Gleichanteil U_DC, der aufgrund der Proportionalität zum Ankerstrom I_A und zum Ankerquerfeld B_A den zeitlichen Verlauf des Motormomentes widerspiegelt.
Die von der Auswerteschaltung oder -vorrichtung 1 und vom Auswertemodul 7 ausgangsseitig gelieferten Signale S_ST und S_A repräsentieren bevorzugt gewünschte Betriebsparameter des Elektromotors 10, nämlich die aktuelle Drehzahl n, den zeitlichen Verlauf des Motormomentes M sowie die Rotorlage und damit die Position des angekoppelten Verstellelementes, wobei diese Betriebsparameter einzeln oder in Kombination wiederum für einen zuverlässigen Einklemmschutz herangezogen werden können.
Bezugszeichenliste

1: Auswertevorrichtung
2: Hall-Sensor
3: Vergleicherschaltung
4: Schaltung/Impedanzwandler
5, 6: Tiefpass
7: Auswertemodul
8: Schmitt-Trigger
10: Elektromotor
13, 14: Linie
15: Antriebswelle
16: Poltopf
17a: Nordpol N
17b: Südpol S
18: Motoranker
18a: Ankerzahn
18b: Ankernut
19: Motorwicklung
20: Sensorfläche
A1,2,3: Ausgang
BA: Ankerquerfeld
BE: Erregerhauptfeld
C1,3: Kondensator
D1: Diode
IA: Ankerstrom
OP1,2: Operationsverstärker
R1,2,3: Widerstand
SD: digitales Sensorsignal
SH: analoges Sensorsignal
SPT: Analogsignal
SST: Auswertesignal
UAC: Wechselanteil
UDC: Gleichanteil/Offset

Claims

Verfahren zur Auswertung eines Sensorsignals, das von einem magnetfeldsensitiven Sensor (2) erzeugt wird, der dem sich ändernden Magnetfeld eines Elektromotor (10) ausgesetzt ist und ein analoges Sensorsignal (S_H) ausgibt, – bei dem durch Phasenverschiebung des analogen Sensorsignals (S_H) ein phasenverschobenes Analogsignal (S_PT, S_P) erzeugt wird, – bei dem durch eine Differenzbildung des Sensorsignals (S_H) und des phasenverschobenen Analogsignals (S_PT, S_P) ein digitales Auswertesignal (S_ST) erzeugt wird, das einen ersten Wert (H) annimmt, wenn die Differenz zwischen dem Sensorsignal (S_H) und dem phasenverschobenen Analogsignal (S_PT, S_P) einen ersten Schwellwert (U_r, U₁) überschreitet, und das einen zweiten Wert (L) annimmt, wenn die Differenz zwischen dem Sensorsignal (S_H) und dem phasenverschobenen Analogsignal (S_P) einen zweiten Schwellwert (U_r, U₂) unterschreitet, und – bei dem das Auswertesignal (S_ST) zur Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors (10) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Sensorsignal (S_H) einem Tiefpass (5) zugeführt wird, der das phasenverschobene Analogsignal (S_P) ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das analoge Sensorsignal (S_H) einem ersten Eingang (E₍₊₎) einer Komparatorschaltung (3) zugeführt wird, – dass das phasenverschobene Analogsignal (S_PT, S_P) dem zweiten Eingang (E_(–)) der Komparatorschaltung (3) zugeführt wird, und – dass die Komparatorschaltung (3) das digitale Auswertesignal (S_ST) ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Komparatorschaltung (3) ein Schmitt-Trigger herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines als Tiefpass wirksamen Frequenzfilters (5, 6) ein den Gleichanteil (U_DC) des Sensorsignals (S_H) repräsentierendes Signal (S_HT, S_PT) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertesignal (S_ST) zur Positionsbestimmung eines Verstellelementes, insbesondere eines Fensterhebers, eines Kraftfahrzeugs herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das den Gleichanteil (U_DC) des Sensorsignals (S_H) repräsentierende Signal (S_HT, S_PT) zur Bestimmung betriebsbedingter Parameter, insbesondere des Anlaufens, des Einlaufens in eine Blockiersituation, beispielsweise in eine Endposition oder in einen Einklemmfall, und/oder der Drehrichtung, eines Elektromotors (10), vorzugsweise eines Fensterheberantriebs eines Kraftfahrzeugs, herangezogen wird.
Vorrichtung zur Erzeugung und Auswertung eines Sensorsignals zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – mit einem dem von einem Elektromotor (10) erzeugten Ankerquerfeld (B_A) ausgesetzten Sensor (2), insbesondere einem Hall-Sensor, der ein analoges Sensorsignal (S_H) ausgibt, – mit einer Schaltung (5) zur Phasenverschiebung, die aus dem analogen Sensorsignal (S_H) ein phasenverschobenes Analogsignal (S_PT, S_P) erzeugt, – mit einer Vergleicherschaltung (3) mit einem ersten Eingang (E₍₊₎), dem das analoge Sensorsignal (S_H) zugeführt ist, und mit einem zweiten Eingang (E_(–)), dem das phasenverschobene Analogsignal (S_PT, S_P) zugeführt ist, sowie mit einem Ausgang (A₃), an dem ein digitales Auswertesignal (S_ST) zur Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors (10) abgreifbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) das vom Elektromotor (10) erzeugte Ankerquerfeld (B_A) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) eine magnetfeldsensitive Sensorfläche (20) aufweist, die derart in einem Winkel (α) zum Ankerquerfeld (B_A) orientiert ist, dass dieses die sensitive Sensorfläche (20) zumindest teilweise durchsetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Sensorfläche (20) senkrecht zum Ankerquerfeld (B_A) orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleicherschaltung (3) einen als Schmitt-Trigger arbeitenden Komparator (OP₂) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5) zur Phasenverschiebung ein Tiefpass (R3, C1) ist, insbesondere ein passiver Tiefpass erster Ordnung, der mit dem zweiten Eingang (E_(–)) der Vergleicherschaltung (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltung (5) zur Phasenverschiebung eine als Impedanzwandler (OP₁) wirksame Schaltung (4) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die als Impedanzwandler wirksame Schaltung (4) einen zwei Eingänge (E₍₊₎, E_(–)) und einen Ausgang (A₁) aufweisenden Operationsverstärker (OP₁) umfasst, dessen einem Eingang (E₍₊₎) das analoge Sensorsignal (S_h) zugeführt ist, und dessen anderer Eingang (E_(–)) mit dem Ausgang (A₁) verbunden ist.