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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Position einer Tür, die über eine Antriebswelle antreibbar ist.
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Über eine Antriebswelle automatisch angetriebene Türen werden in verschiedenen Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in Aufzügen, auf Bahnsteigen oder in Kühlhäusern. Der Antrieb derartiger Türen erfordert Türsteuerungen, die Informationen über die aktuelle Position der Tür benötigen. Wenn eine elektrische Spannungsversorgung für den Antrieb einer Türsteuerung unterbrochen wird, geht häufig auch die Information über die aktuelle Position der Tür verloren, wenn die Tür während der Unterbrechung beispielweise manuell bewegt wird. Die Positionserfassung der Tür muss in einem solchen Fall beispielsweise durch eine Referenzfahrt der Tür neu eingestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Erfassung einer Position einer Tür, die über eine Antriebswelle antreibbar ist, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Position einer Tür, die über eine Antriebswelle antreibbar ist, umfasst einen Gebermagnet, einen Dreherfassungssensor und eine Auswerteeinheit. Der Gebermagnet weist wenigstens zwei verschiedene Magnetpole auf und erzeugt ein sich periodisch während Drehungen der Antriebswelle änderndes Magnetfeld. Der Dreherfassungssensor ist ortsfest zu der Rotationsachse der Antriebswelle angeordnet und weist zur Erfassung von Drehungen und Drehrichtungen der Antriebswelle magnetische Tunnelwiderstände auf, deren elektrische Widerstände von der Stellung der Magnetpole des Gebermagnets abhängen. Die Auswerteeinheit ist zur die Drehrichtung einschließenden Erfassung von Umdrehungen der Antriebswelle durch eine Auswertung von Sensorsignalen des Dreherfassungssensors und zur Ermittelung eines Zählwertes ausgebildet, der als die Differenz der Anzahl der erfassten Umdrehungen in einer ersten Drehrichtung und der Anzahl der erfassten Umdrehungen in einer der ersten Drehrichtung entgegen gesetzten zweiten Drehrichtung definiert ist.
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Die Erfindung nutzt aus, dass die Drehung der Antriebswelle an die Bewegung der Tür gekoppelt ist, so dass sich aus dem ermittelten Zählwert die Position der Tür bestimmen lässt. Die Verwendung eines an der Antriebswelle angeordneten Gebermagnet und eines Dreherfassungssensors mit magnetischen Tunnelwiderständen, deren elektrische Widerstände von der Stellung der Magnetpole des Gebermagnets abhängen, ermöglicht vorteilhaft eine berührungslose Erfassung von Drehungen der Antriebswelle.
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Die Verwendung magnetischer Tunnelwiderstände zur Erfassung von Drehungen des Gebermagnet hat insbesondere den Vorteil, dass dafür eine sehr geringe Leistungsaufnahme notwendig ist, so dass der Dreherfassungssensor auch über längere Zeiträume mit einem Energiespeicher betrieben werden kann, der unabhängig von der Energieversorgung der Tür ist. Dadurch können der Dreherfassungssensor und die Auswerteeinheit während einer Unterbrechung der Energieversorgung der Tür zuverlässig mittels eines derartigen Energiespeichers betrieben werden, so dass auch während der Unterbrechung die Position der Tür erfasst werden kann und nach der Unterbrechung keine Referenzfahrt der Tür zur Neueinstellung der Positionserfassung erforderlich ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Dreherfassungssensor wenigstens vier magnetische Tunnelwiderstände aufweist, die elektrisch in einer Widerstandsbrückenschaltung mit wenigstens zwei jeweils zwei magnetische Tunnelwiderstände aufweisenden Halbbrücken angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, dass die Halbbrücken an ihren Mittelabgriffen bei einer Rotation der Antriebswelle gegeneinander phasenverschobene Sensorsignale liefern.
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Eine derartige Widerstandsbrückenschaltung nutzt aus, dass die elektrischen Widerstände der magnetischen Tunnelwiderstände von der Stellung des Gebermagnets abhängen, und ermöglicht sowohl die Erfassung von Drehungen der Antriebswelle als auch die Ermittelung der Drehrichtung unter Ausnutzung der Phasenverschiebung der Sensorsignale.
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Dabei sind die magnetischen Tunnelwiderstände vorzugsweise dazu ausgebildet, dass zwei Halbbrücken an ihren Mittelabgriffen bei einer Rotation der Antriebswelle Sensorsignale liefern, die gegeneinander um ein Viertel einer Periodendauer der Rotation phasenverschoben sind.
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Die Phasenverschiebung der Sensorsignale um ein Viertel einer Periodendauer der Rotation ermöglicht vorteilhaft eine messtechnisch besonders einfache und zuverlässige Ermittelung der Drehrichtung einer Drehung der Antriebswelle.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, den Dreherfassungssensor dauerhaft oder zyklisch mit einer Sensorspannung zu versorgen.
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Dadurch wird die Energieversorgung des Dreherfassungssensors an die Auswerteeinheit gekoppelt, so dass vorteilhaft nur die Auswerteeinheit mit Energie versorgt werden braucht.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit einen Zustandsautomat aufweist, mittels dessen der aktuelle Zählwert speicherbar und der gespeicherte Zählwert bei einer erfassten Umdrehung in der ersten Drehrichtung inkrementierbar und bei einer erfassten Umdrehung in der zweiten Drehrichtung dekrementierbar ist.
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Dadurch wird der Zählwert vorteilhaft bei jeder erfassten Umdrehung der Antriebswelle aktualisiert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Energiespeicher zur Energieversorgung der Auswerteeinheit im Fall einer Unterbrechung einer externen Energieversorgung vor.
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Die Verwendung eines Energiespeichers zur Energieversorgung der Auswerteeinheit im Fall einer Unterbrechung einer externen Energieversorgung hat den oben bereits genannten Vorteil, dass die Auswerteeinheit auch während der Unterbrechung der externen Energieversorgung betrieben werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen zusätzlichen Winkelsensor zur Erfassung einer Stellung der Magnetpole des Gebermagnets vor.
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Dadurch können zusätzlich zur Zählung der Umdrehungen der Antriebswelle mittels des Zählwertes auch Drehungen der Antriebswelle um weniger als 360 ° erfasst und somit die Auflösung und Genauigkeit der Positionserfassung erhöht werden. Diese Ausgestaltung ist besonders für Anwendungen vorteilhaft, die eine besonders hohe Positionsauflösung erfordern, beispielsweise im Falle der Verwendung von Direktantrieben.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Gebermagnet mit genau zwei verschiedenen Magnetpolen vor, wobei der Gebermagnet an der Antriebswelle derart angeordnet ist, dass die Rotationsachse der Antriebswelle zwischen den beiden Magnetpolen hindurch verläuft.
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Eine derartige Ausbildung und Anordnung des Gebermagnets ist besonders einfach und führt bei Drehungen der Antriebswelle vorteilhaft zu zumindest näherungsweise sinusförmigen Änderungen der Magnetfeldstärke am Ort des Dreherfassungssensors.
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Bei dem Erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Position einer über eine Antriebswelle antreibbaren Tür mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst. Dabei werden mittels des Dreherfassungssensors drehrichtungsabhängig Drehungen der Antriebswelle erfasst, und mittels der Auswerteeinheit werden Umdrehungen der Antriebswelle einschließlich der Umdrehungsrichtungen dieser Umdrehungen durch eine Auswertung von Sensorsignalen des Dreherfassungssensors erfasst. Ferner wird mittels der Auswerteeinheit ein aktueller Zählwert gespeichert und der gespeicherte Zählwert wird bei einer erfassten Umdrehung in einer ersten Drehrichtung inkrementiert und bei einer erfassten Umdrehung in einer der ersten Drehrichtung entgegen gesetzten zweiten Drehrichtung dekrementiert.
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Die Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den oben bereits genannten Vorteilen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht dementsprechend vor, dass der Dreherfassungssensor durch die Auswerteeinheit dauerhaft oder zyklisch mit einer Sensorspannung versorgt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Auswerteeinheit im Fall einer Unterbrechung einer externen Energieversorgung mittels eines Energiespeichers mit Energie versorgt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Fall einer kompletten Entladung des Energiespeichers eine auf die Entladung hinweisende Statusinformation in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert wird.
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Durch eine derartige Statusinformation wird vorteilhaft im Falle einer kompletten Entladung des Energiespeichers darauf hingewiesen, dass sich aus dem gespeicherten Zählwert möglicherweise nicht die tatsächliche Position der Tür ermitteln lässt.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Stellung der Magnetpole des Gebermagnets ermittelt wird. Dabei kann die Stellung der Magnetpole des Gebermagnets beispielsweise mittels eines zusätzlichen Winkelsensors ermittelt werden. Alternativ kann die Stellung der Magnetpole des Gebermagnets durch eine Auswertung von Sensorsignalen, die von dem Dreherfassungssensor erfasst werden, ermittelt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine über eine Antriebswelle antreibbare Tür und ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position der Tür,
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2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position einer über eine Antriebswelle antreibbaren Tür, und
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3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position einer über eine Antriebswelle antreibbaren Tür.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine über eine Antriebswelle 1 antreibbare Tür 3 und ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position der Tür 3.
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Die Tür 3 ist an einen Riemen 5 gekoppelt, der über eine Umlenkrolle 7 geführt ist und durch die Antriebswelle 1 angetrieben wird, wodurch die Tür 3 linear verschoben wird.
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Die Vorrichtung zur Erfassung einer Position der Tür 3 umfasst einen Gebermagnet 9, einen Dreherfassungssensor 11, eine Auswerteeinheit 13 und einen aufladbaren Energiespeicher 15.
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Der Gebermagnet 9 weist zwei verschiedene Magnetpole 9.1, 9.2 auf und ist an der Antriebswelle 1 derart angeordnet, dass die Rotationsachse der Antriebswelle 1 zwischen den beiden Magnetpolen 9.1, 9.2 hindurch verläuft.
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Der hier nicht näher dargestellte Dreherfassungssensor 11 ist zur drehrichtungsabhängigen Erfassung von Drehungen der Antriebswelle 1 mittels magnetischer Tunnelwiderstände, deren elektrische Widerstände von der Stellung der Magnetpole 9.1, 9.2 des Gebermagnet 9 abhängen, ausgebildet. Dazu ist der Dreherfassungssensor 11 ortsfest zu der Rotationsachse der Antriebswelle 1 angeordnet, wobei er nicht notwendig dem Gebermagnet 9 entlang der Rotationsachse gegenüber liegend, sondern auch dagegen seitlich versetzt angeordnet sein kann. Der Dreherfassungssensor 11 weist vier magnetische Tunnelwiderstände auf, die elektrisch in einer Widerstandsbrückenschaltung mit zwei jeweils zwei magnetische Tunnelwiderstände aufweisenden Halbbrücken angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, dass die beiden Halbbrücken an ihren Mittelabgriffen bei einer Rotation der Antriebswelle 1 gegeneinander um ein Viertel einer Periodendauer der Rotation phasenverschobene sinusförmige Sensorsignale 12 liefern.
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Die Auswerteeinheit 13 ist zu einer dauerhaften oder zyklischen Versorgung des Dreherfassungssensors 11 mit einer Sensorspannung 14 und zu einer Ermittelung eines Zählwertes ausgebildet, der als die Differenz der Anzahl erfasster Umdrehungen der Antriebswelle 1 in einer ersten Drehrichtung und der Anzahl erfasster Umdrehungen der Antriebswelle 1 in einer der ersten Drehrichtung entgegen gesetzten zweiten Drehrichtung definiert ist. Dazu weist die Auswerteeinheit 13 zwei Komparatoren 17, eine digitale Auswerteschaltung 19 und eine Speichereinheit 21 auf.
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Die Komparatoren 17 dienen der Erkennung von Umdrehungen der Antriebswelle 1 anhand der von dem Dreherfassungssensor 11 erfassten Sensorsignale 12. Dazu ist jede der beiden Halbbrücken der Widerstandsbrückenschaltung des Dreherfassungssensors 11 mit einem Komparator 17 der Auswerteeinheit 13 verbunden, wodurch diesem Komparator 17 das Sensorsignal 12 dieser Halbbrücke zugeführt wird. Für jeden Komparator 17 wird ein Signalschwellenwert vorgegeben und jeder Komparator 17 vergleicht das ihm zugeführte Sensorsignal 12 mit diesem vorgegebenen Signalschwellenwert und übergibt der Auswerteschaltung 19 ein Komparatorsignal 18, das anzeigt, ob das ihm zugeführte Sensorsignal 12 den jeweiligen Signalschwellenwert momentan übertrifft. Die Auswerteschaltung 19 wertet die Komparatorsignale 18 der Komparatoren 17 mittels eines Zustandsautomaten aus.
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Die Signalschwellenwerte werden derart vorgegeben, dass während einer Umdrehung der Antriebswelle 1 jeder dieser Signalschwellenwerte zweimal passiert wird, so dass sich jedes Komparatorsignal 18 während einer Umdrehung zweimal ändert. Aus einer dementsprechenden Änderung der Komparatorsignale 18 wird mittels des Zustandsautomaten der Auswerteschaltung 19 auf eine Umdrehung der Antriebswelle 1 geschlossen. Anhand der Reihenfolge, in der sich die Komparatorsignale 18 der beiden Komparatoren 17 ändern, wird mittels des Zustandsautomaten die Drehrichtung einer Drehung ermittelt, wobei die Phasenverschiebung der sinusförmigen Sensorsignale 12 der beiden Halbbrücken ausgenutzt wird.
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Der jeweils aktuelle Zählwert wird in der Speichereinheit 21 gespeichert. Der gespeicherte Zählwert wird bei einer erfassten Umdrehung in der ersten Drehrichtung um den Wert Eins inkrementiert und bei einer erfassten Umdrehung in der zweiten Drehrichtung um den Wert Eins dekrementiert.
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Der aufladbare Energiespeicher 15 dient zur Energieversorgung der Auswerteeinheit 13 im Fall einer Unterbrechung einer externen Energieversorgung 23. Dazu wird eine Versorgungsspannung der externen Energieversorgung 23 erfasst und im Falle einer erkannten Unterbrechung der externen Energieversorgung 23 wird die Energieversorgung der Auswerteeinheit 13 mittels einer Umschalteinheit 25 auf die Energieversorgung durch den aufladbaren Energiespeicher 15 umgestellt. Der aufladbare Energiespeicher 15 ist beispielsweise als ein Doppelschichtkondensator ausgebildet. Mittels eines Doppelschichtkondensators mit einer Kapazität von etwa 1 F kann eine Auswerteeinheit 13 mit einem realistischen Strombedarf von weniger als 5 μA mehrere Tage mit Energie versorgt werden.
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Die Auswerteeinheit 13 ist in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreibbar. Wenn die Auswerteeinheit 13 von der externen Energieversorgung 23 mit Energie versorgt wird, wird sie in einem ersten Betriebsmodus betrieben, in dem sie neben der Erfassung und Zählung der Umdrehungen der Antriebswelle 1 den ermittelten Zählwert über eine digitale Schnittstelle 27 ausgibt. Wenn die Auswerteeinheit 13 von dem aufladbaren Energiespeicher 15 mit Energie versorgt wird, wird sie in einem energiesparenden zweiten Betriebsmodus betrieben, in dem lediglich die Umdrehungen der Antriebswelle 1 erfasst und in Form des Zählwertes gezählt werden, aber der Zählwert nicht über die digitale Schnittstelle 27 ausgegeben wird.
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Vorzugsweise wird im Falle einer kompletten Entladung des aufladbaren Energiespeichers 15 eine Statusinformation in einem nichtflüchtigen Speicher, z.B. in einem internen Flash-Speicher der Auswerteeinheit 13 gespeichert.
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2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position einer über eine Antriebswelle 1 antreibbaren Tür 3. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst wie das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einen Gebermagnet 9, einen Dreherfassungssensor 11 und eine Auswerteeinheit 13 zur Erfassung und Auswertung von Umdrehungen der Antriebswelle 1, wobei die Auswerteeinheit 13 wie in dem ersten Ausführungsbeispiel Komparatoren 17, eine Auswerteschaltung 19 und eine Speichereinheit 21 aufweist, die in 2 jedoch nicht noch einmal dargestellt sind. Ferner weist auch das zweite Ausführungsbeispiel einen aufladbaren Energiespeicher 15 zur Energieversorgung der Auswerteeinheit 13 im Fall einer Unterbrechung einer externen Energieversorgung 23 auf.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel vor allem durch einen zusätzlichen Winkelsensor 29 zur Erfassung einer Stellung der Magnetpole 9.1, 9.2 des Gebermagnets 9. Dadurch werden zusätzlich zur Zählung der Umdrehungen der Antriebswelle 1 mittels des Zählwertes auch Drehungen der Antriebswelle 1 um weniger als 360 ° erfasst und somit die Genauigkeit der Positionserfassung erhöht. Der Winkelsensor 29 umfasst vorzugsweise einen Magnetsensor, beispielsweise einen Hallsensor. Ein von dem Winkelsensor 29 ausgegebenes Winkelsensorsignal 30 wird der Auswerteeinheit 13 zur Auswertung zugeführt.
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Das Winkelsensorsignal 30 des Winkelsensors 29 wird mit den Sensorsignalen 12 synchronisiert. Dazu wird beispielsweise eine 2-Bit-Winkelinformation der Komparatorsignale 18 der Komparatoren 17 (mit einer Winkelauflösung von 90 °) mit den höchsten 2 Bit des Winkelsensorsignals 30 verglichen. In einem Winkelbereich, in dem die Nulllagen beider Signale abweichen, werden die Komparatorsignale 18 korrigiert, damit die Erfassung der vollständigen Umdrehungen der Antriebswelle 1 synchron zu den erfassten Winkelsensorsignalen 30 erfolgt. Diese Korrektur kann über eine einfache Tabelle (Lookup-Table) vorgenommen werden.
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Vorzugsweise wird der Winkelsensor 29 nur in dem ersten Betriebsmodus eingesetzt.
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Falls die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung der externen Energieversorgung 23 niedriger als eine maximal mögliche Versorgungsspannung der Auswerteeinheit 13 ist, kann ein einfacher, durch die Auswerteeinheit 13 angesteuerter Hochsetzsteller 31 den wieder aufladbaren Energiespeicher 15 auf die maximal mögliche Versorgungsspannung aufladen und damit die Laufzeit maximieren.
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Die in 2 mit A, B, C bezeichneten Anschlüsse der Auswerteeinheit 13 sind jeweils mit dem aufladbaren Energiespeicher 15, über ein Schalter mit dem Hochsetzsteller 31 und über einen Spannungsregler 33, der als ein so genannter Low-Drop-Spannungsregler ausgebildet ist, mit der externen Energieversorgung 23 verbunden.
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Optional kann das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zusätzlich zu der Erfassung der Drehungen der Antriebswelle 1 ein Inkrementalgebersignal 35 (so genanntes AB-Signal) über einen Push-Pull-Treiber 37 ausgeben und damit einen zusätzlichen Inkrementalgeber ersetzen. Dem Inkrementalgebersignal 35 können ferner auch der ermittelte Zählwert für die Umdrehungen der Antriebswelle 1 und/oder die anhand des Winkelsensorsignals 30 ermittelte Stellung der Antriebswelle 1 aufmoduliert werden, so dass eine zusätzliche digitale Schnittstelle 27 zur Ausgabe des Zählwerts und/oder der ermittelten Stellung der Antriebswelle 1 entfallen kann.
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Für Debug-Zwecke kann die Auswerteeinheit 13 ferner optional eine UART-Schnittstelle 39 (UART = Universal Asynchronous Receiver Transmitter) aufweisen.
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3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position einer über eine Antriebswelle 1 antreibbaren Tür 3.
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Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass statt eines zusätzlichen Winkelsensors 29 eine hochauflösende Auswertung der Sensorsignale 12 des Dreherfassungssensors 11 zur Ermittelung der Stellung der Magnetpole 9.1, 9.2 des Gebermagnet 9 vorgesehen ist. Die beiden Sensorsignale 12 werden dazu jeweils einem Operationsverstärker 41 zugeführt und durch diesen verstärkt. Die Operationsverstärker 41 können der Auswerteeinheit 13 wie in 3 dargestellt vorgeschaltet sein. Alternativ können die Operationsverstärker 41 in die Auswerteeinheit 13 integriert werden. Die Ausgangssignale der Operationsverstärker 41 werden einem hochauflösenden Analog-Digital-Wandler 43 zugeführt, der in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in die Auswerteeinheit 13 integriert ist. Aus den von dem Analog-Digital-Wandler 43 ausgegebenen Signalen wird ein die Stellung der Magnetpole 9.1, 9.2 beschreibender Winkel ermittelt. Vorzugsweise wird die Stellung der Magnetpole 9.1, 9.2 auch in diesem Ausführungsbeispiel nur in dem ersten Betriebsmodus ermittelt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.