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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Weggeber zum berührungslosen Messen einer relativen Position einer ein Magnetfeld erzeugenden Magnetfeldquelle und eines Magnetfeldsensors in Bezug aufeinander. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein entsprechendes Messverfahren zum Bestimmen der Position.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen insbesondere lineare Bewegungen berührungslos mittels magnetischer Wechselwirkung zwischen einem oder mehreren Permanentmagneten und einer auf dem Halleffekt basierenden magnetischen Sensoranordnung erfasst und ausgewertet werden.
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Die Messung linearer Bewegungen findet z. B. für die Steuerung von Werkzeugmaschinen, in der Pneumatik, in der Automatisierungstechnik und Robotik sowie im Automobilbereich Anwendung. Eine berührungslose Erfassung von Bewegungen bietet u. a. den Vorteil der Verschleißfreiheit. Unter den berührungslosen Messverfahren sind die optischen und magnetischen am Weitesten verbreitet. Während die optischen Verfahren aufgrund der kleinen Wellenlänge des Lichts eine sehr hohe Genauigkeit garantieren, sind magnetische Verfahren weit weniger empfindlich gegenüber Verschmutzung und Beschädigung, insbesondere dadurch, dass Magnete und Sensorkomponenten in einer nicht-magnetischen hermetischen Hülle vollständig gekapselt werden können.
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Von diversen Herstellern werden Weggebersysteme angeboten, bei denen die Position eines verschieblichen Permanentmagneten mit Hilfe eines zwei- oder dreidimensionalen Hallsensors ermittelt wird.
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Dabei werden zur Erfassung der linearen Relativbewegungen an einem Ort zwei zueinander senkrecht stehende Magnetfeldkomponenten gemessen und ihr Quotient wird zur Lageerkennung ausgewertet. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass jeweils in Bereichen, in denen eine Feldkomponente einen Extremwert annimmt und daher kleine Verschiebungen nicht detektiert, die andere Feldkomponente auf Verschiebungen umso stärker reagiert, so dass im gesamten Messbereich eine annähernd gleich hohe Messgenauigkeit gegeben ist.
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Weiterhin hat dieses Prinzip den Vorteil, dass es vergleichsweise wenig empfindlich gegenüber einer Veränderung der absoluten magnetischen Feldstärke ist, da Verhältniszahlen zwischen den Feldkomponenten zur Positionserfassung genutzt werden.
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Die europäische Patentschrift
EP 0979988 B1 offenbart verschiedene Messverfahren zur berührungslosen magnetischen Erfassung linearer Relativbewegungen zwischen Dauermagneten und elektronischen Sensoren. Zur Erfassung der linearen Relativbewegungen mittels der elektronischen Sensoren werden an einem Ort zwei zueinander senkrecht stehende Feldkomponenten erfasst, deren Quotient zur Lageerkennung ausgewertet wird.
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In einer zweiten Verfahrensvariante kann das bekannte Messverfahren auch so durchgeführt werden, dass zur Erfassung der linearen Relativbewegungen mittels der elektronischen Sensoren an zwei Orten zwei zueinander senkrecht stehende Feldkomponenten erfasst werden, deren Quotient zur Lageerkennung ausgewertet wird.
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Aus der europäischen veröffentlichten Patentanmeldung
EP 2159546 A2 ist ein Messverfahren zur berührungslosen Erfassung linearer Relativbewegungen zwischen einer Sensoranordnung zur Erfassung zweier senkrecht zueinander stehender magnetischer Feldkomponenten (R, A) und einem Permanentmagneten bekannt. Dabei wird ein zwei- oder dreidimensionaler Hall-Sensor anstelle von Einzelsensoren zur Erfassung unterschiedlicher Feldkomponenten eingesetzt. Die quasi-lineare Positions-Messkurve wird durch die Funktion U = y – e + g gebildet, wobei y die funktionale Beziehung der Feldkomponenten und e sowie g vorgebbare Spannungswerte sind. Insbesondere wird aus den Ausgangssignalen des Hall-Sensors gemäß der Beziehung y = a + b·R/f(c·R
n + d·A
n) eine quasi-lineare Positions-Messkurve U = f(y) gebildet, wobei R die Radialfeldkomponente, A die Axialfeldkomponente, U die Messspannung und a, b, c, d und n konstante Faktoren sind.
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Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung
EP 1243897 A1 betrifft einen magnetischen Weggeber, der eine Magnetfeldquelle und einen Magnetfeldsensor umfasst, die entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zueinander verschiebbar sind. Der Magnetfeldsensor misst zwei Komponenten des von der Magnetfeldquelle erzeugten Magnetfeldes. Aus den gemessenen Komponenten wird dann ein Positionssignal abgeleitet, das die relative Lage von Magnetfeldsensor und Magnetfeldquelle darstellt. Die in dieser Druckschrift gezeigten Ausführungen des Weggebers zeichnen sich dadurch aus, dass die Bestimmung des Positionssignals eine Division der beiden gemessenen Komponenten des Magnetfeldes beinhaltet.
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Allerdings haben diese bekannten Verfahren den Nachteil, dass an den Enden des Messbereichs das magnetische Ansteuerfeld sehr schwach wird, so dass die zur Berechnung der Position herangezogenen Komponenten der magnetischen Flussdichte kleine Werte annehmen und daher das Signal-Rausch-Verhältnis beider Werte für die Berechnung ungünstig wird.
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Die
DE 10 2010 003 292 A1 offenbart eine Sensoranordnung zum Ermitteln einer Magnetisierungsrichtung eines Gebermagneten bezüglich der Sensoranordnung. Diese weist einen ersten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer ersten Magnetfeldkomponentebezüglich einer ersten Raumrichtung und einer zweiten Magnetfeldkomponente bezüglich einer zweiten Raumrichtung und einen zweiten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer dritten Magnetfeldkomponente bezüglich der ersten Raumrichtung und einer vierten Magnetfeldkomponente bezüglich der zweiten Raumrichtung auf. Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind beabstandet voneinander angeordnet. Die Sensoranordnung weist ferner eine Verarbeitungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um die erste Magnetfeldkomponente und die zweite Magnetfeldkomponente miteinander zu kombinieren, um eine erste Kombinationsgröße zu erhalten, um die dritte Magnetfeldkomponente und die vierte Magnetfeldkomponente miteinander zu kombinieren, um eine zweite Kombinationsgröße zu erhalten, um basierend auf einem Vergleich der ersten Kombinationsgröße und der zweiten Kombinationsgröße eine Lage des Gebermagneten bezüglich der Sensoranordnung zu ermitteln, und um basierend auf der ermittelten Lage des Gebermagneten bezüglich der Sensoranordnung und auf einem Vorzeichen einer erfassten Magnetfeldkomponente bezüglich der zweiten Raumrichtung die Magnetisierungsrichtung zu ermitteln.
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Aus der
EP 2166312 A1 ist ein magnetischer oder induktiver Wegsensor mit wenigstens zwei Sensorelementen zur Erfassung von Positionen eines bewegbaren Mittels entlang einer Strecke bekannt, wobei das Mittel einen Dauermagneten trägt, mit einer elektronischen Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensorelemente, wodurch die Position des Mittels auswertbar ist und die Auswerteeinheit einen Ausgang aufweist für ein die Position repräsentierendes Ausgangssignal. Weiterhin ist ein Speicher vorhanden, in dem ein erster Positionswert des Mittels in einer ersten gewünschten Position speicherbar ist und ein zweiter Positionswert des Mittels in einer zweiten gewünschten Position speicherbar ist und die Auswerteeinheit ist ausgebildet, das Ausgangssignal auf einen Messbereich zwischen den beiden Positionswerten anzupassen.
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Weiterhin ist aus der Europäischen Patentschrift
EP 1071919 B1 eine Sensoranordnung und ein Verfahren zur magnetischen Positionsbestimmung mit einer Korrektur für nichtlineare Sensorbereiche bekannt, bei der eine Vielzahl von Magnetfeldwandlern entlang des Verfahrweges eines Permanentmagneten angeordnet ist. Jeder dieser Wandler liefert ein eindimensionales Ausgangssignal, das sich verändert, während der Magnet sich jedem Wandler nähert, an ihm vorbeiläuft und sich wieder von ihm entfernt. Bei dieser Anordnung sollen Nichtlinearitäten, die im Kennlinienübergangsbereich zwischen zwei Magnetfeldwandlern auftreten, dadurch eliminiert werden, dass jeweils zwei Wandler in der Auswertung zusammengefasst werden und weiterhin fest voreingestellte Offsetwerte zu dem daraus berechneten Ausgangssignal addiert werden. Diese bekannte Anordnung ist aber nicht in der Lage, die Vorteile einer Arcustangens-Berechnung mit Hilfe eines mehrdimensionalen Hallsensors zu nutzen und benötigt darüber hinaus einen ganz erheblichen Rechenaufwand für die Kalibrierung.
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1 zeigt eine Anordnung, bei der zur berührungslosen Erfassung einer Linearbewegung ein Hallsensor 100 ortsfest beispielsweise an einem Gehäuse montiert ist und das Magnetfeld eines beweglichen Permanentmagneten 102 erfasst. Entsprechend der Nord-Süd-Polarisierung entlang der Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 102 wird nachfolgend das entlang der Bewegungsrichtung verlaufende Magnetfeld als Magnetfeldkomponente Bz und die quer dazu verlaufende Komponente als By bezeichnet. Der gesamte Messbereich in z-Richtung, der durch den Hallsensor 100 abgedeckt wird, ist mit dem Bezugszeichen 104 angedeutet.
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2 zeigt den Verlauf der Komponenten By und Bz der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von dem Ort z, an dem sich der Permanentmagnet 102 befindet. Dabei ist die Nulllage die Position, in der sich der Permanentmagnet 102 und der Sensor 100 unmittelbar gegenüberstehen.
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Der Winkel α, der sich gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) berechnen lässt, wird dabei als Messsignal verwendet. α = arctan( Bz / By) (1)
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Der Verlauf des Betrags |B →| der magnetischen Flussdichte ist in 3 als Funktion des Ortes z gezeigt. Dabei berechnet sich der vektorielle Betrag |B →| der magnetischen Flussdichte in bekannter Weise aus den einzelnen Komponenten By und Bz gemäß der nachfolgenden Gleichung (2). Entsprechende Berechnungsvorschriften gelten, wie dies einem Fachmann geläufig ist, bei Verwendung anderer Koordinatensysteme und auch bei Hinzunahme einer dritten Magnetfeldkomponente Bx.
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Wie in 4 dargestellt, hängt der Winkel α bis zu einem gewissen Grenzwert vergleichsweise linear von der Position des Permanentmagneten 102 mit Bezug auf den Hallsensor 100 ab. Meist wird die aktuell gemessene Kennlinie weiter linearisiert, wie dies in 4 mittels der Kurve α_lin dargestellt ist. Diese linearisierte Kurve α_lin bildet dann die Ausgangskennlinie des Sensors. 5 zeigt den Verlauf des von dem Sensor ausgegebenen Positionssignals OUT.
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Die meisten marktüblichen 3D-Hallsensoren können nur in Anwesenheit eines ausreichend starken Magnetfeldes betrieben werden. Falls der Permanentmagnet sich außerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors befindet, ist kein Sensorsignal mehr verfügbar.
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Es gibt bekannte Anordnungen, bei denen ein sogenanntes „Clamping”, also ein Abschneiden der Messwerte am Messbereichsrand, vorgenommen wird. Dabei wird ein von der aktuellen Messung unabhängiger, fest voreingestellter Wert anstelle der tatsächlichen, nicht mehr zuverlässigen Messwerte ausgegeben. Die US-Patentschrift
US 6,502,544 B2 beschreibt einen solchen Hallsensor für eine Drosselventilanordnung, bei dem die Sensorsignale auf die untere beziehungsweise obere Klemmspannung gesetzt werden, welche die minimal beziehungsweise maximal mögliche Ausgangsspannung des Sensors darstellt.
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Allerdings sind derartige Klemmspannungen für bestimmte technische Anwendungen nicht flexibel genug, da sie fest voreingestellt werden und nicht vom aktuellen Messwert abhängen.
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Daher wird in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 203 225 A1 vorgeschlagen, dass der Magnetfeldsensor zusätzlich mit einer Speichereinheit ausgestattet ist, die es erlaubt, bei Verlust der Ansteuerung durch die Magnetfeldquelle weiterhin ein gültiges Sensorsignal auszugeben. Insbesondere wird der letzte noch zuverlässig bestimmte Positionswert gespeichert und solange ausgegeben, bis der Permanentmagnet sich wieder so weit in Richtung auf den Sensor bewegt hat, dass er bei diesem ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt. Dann gibt der Sensor wieder aktuelle Messwerte anstelle des gespeicherten Wertes aus. Dadurch, dass der Sensor zu jeder Zeit ein gültiges Ausgangssignal ausgibt, kann er theoretisch für beliebig große Verfahrwege eingesetzt werden, ohne dass nachfolgende Hard- und Software durch das außerhalb zulässiger Werte befindliche Signal gestört würden.
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Unter Verwendung der Erkenntnisse, die in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 203 225 A1 dargelegt sind, lassen sich nunmehr weitere Verbesserungen an Hallsensoren realisieren, die bisher nicht oder nur mit äußerst hohem Aufwand erreicht werden konnten.
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Insbesondere besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, einen Weggeber und ein zugehöriges Messverfahren zur berührungslosen Positionserfassung so zu verbessern, dass der Messbereich wesentlich erweitert werden kann und gleichzeitig ein kleinerer Magnet als Magnetfeldquelle eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass der Magnetfeldsensor, der die Position der Magnetfeldquelle erfasst, eine Vielzahl von Magnetfeldsonden aufweist. Jede der Magnetfeldsonden gibt ein Positionssignal aus und dieses Positionssignal basiert auf mindestens zwei Raumkomponenten der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes. Eine Steuer- und Berechnungseinheit ist vorgesehen, die ein Gesamtausgangssignal des Weggebers basierend auf der Vielzahl von Positionssignalen ausgibt. Erfindungsgemäß ist eine Speichereinheit vorgesehen, welche die einzelnen Positionssignale abspeichert. Die Steuer- und Berechnungseinheit entscheidet basierend auf einem berechneten Betrag der magnetischen Flussdichte, die am Ort der jeweiligen Magnetfeldsonde gemessen wird, ob als Positionssignal ein aktuelles Positionssignal ausgegeben wird, oder ob das vorhergehende gespeicherte Positionssignal ausgegeben und der weiteren Berechnung zugrunde gelegt werden soll.
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Dadurch, dass man den Betrag der magnetischen Flussdichte am Ort des Sensors überwacht, lässt sich auf besonders einfache und effiziente Weise der Zustand bestimmen, bei dem die Magnetfeldquelle einen zu großen Abstand von dem Magnetfeldsensor erreicht hat, um noch ein zufriedenstellendes Signalrauschverhältnis zu gewährleisten. Da der Sensor ohnehin die einzelnen Magnetfeldflussdichtekomponenten erfasst, ist für die Berechnung des Betrags der magnetischen Flussdichte kein weiterer messtechnischer Aufwand, sondern lediglich die Durchführung einer Berechnung erforderlich.
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In vorteilhafter Weise kann so ein stabiles Messsignal über einen relativ großen Verfahrweg erreicht werden, ohne dabei einen allzu großen Magneten oder einen ausufernden Rechenaufwand in Kauf nehmen zu müssen.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich besonders leicht erreichen, wenn als Magnetfeldsonde jeweils ein zwei- oder dreidimensionaler Hallsensor verwendet wird und die Magnetfeldquelle mindestens einen Permanentmagneten umfasst.
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Die Vorteile einer Berechnung des Ausgangssignals unter Verwendung der Arcustangens-Funktion werden dabei ausgeschöpft, indem jedes der Positionssignale basierend auf dem Quotienten der beiden Magnetflussdichtekomponenten gemäß Gleichung (1) berechnet wird.
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Die erfindungsgemäße Speichereinheit zum Abspeichern der jeweiligen Positionssignale kann entweder jeweils Teil der einzelnen Magnetfeldsonden sein oder aber in der übergeordneten Steuer- und Berechnungseinheit lokalisiert sein. Dies hängt hauptsächlich von der speziellen Ausgestaltung der Magnetfeldsonden-ICs ab. Je mehr Intelligenz dabei einer einzelnen Magnetfeldsonde zugewiesen ist, desto weniger Rechenkapazität ist entsprechend in der zentralen Steuer- und Berechnungseinheit erforderlich.
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Ein Verfahren zum berührungslosen Messen einer relativen Position mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst die folgenden Schritte:
Berechnen einer Vielzahl von Positionssignalen, basierend auf einem Quotienten der beiden Magnetflussdichtekomponenten;
Berechnen eines Betrags der magnetischen Flussdichte am Ort jeder Magnetfeldsonde und Vergleichen des Betrags mit einem vorbestimmten Schwellenwert;
Ausgeben des jeweiligen aktuellen berechneten Positionssignals, falls der Betrag der magnetischen Flussdichte höher ist als der Schwellenwert;
Ausgeben eines vorhergehenden gespeicherten Positionssignals, falls der Betrag der magnetischen Flussdichte kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist;
Abspeichern der ausgegebenen Positionssignale für jede Magnetfeldsonde;
Berechnen eines Ausgangssignals des Weggebers, basierend auf der Vielzahl von Positionssignalen.
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Durch diese erfindungsgemäße Vorgehensweise kann mit einem vergleichsweise kleinen Magneten durch entsprechende Wahl der Berechnungsvorschriften beim Berechnen des Ausgangssignals ein lineares störsicheres Signal in einem weiten Messbereich erreicht werden. Insbesondere kann das Ausgangssignal des Weggebers basierend auf der Vielzahl der Positionssignale dadurch bestimmt werden, dass die jeweiligen Positionssignale für alle Magnetfeldsonden addiert werden und dieser Summenterm anschließend durch die Gesamtanzahl der Magnetfeldsonden dividiert wird. Dies stellt eine vergleichsweise einfache Berechnungsvorschrift dar, die dennoch sicher stellt, dass der Ausgabewert innerhalb der normierten Grenzen bleibt, die von nachfolgender Peripherie für einen Weggeber erwartet wird.
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Dadurch, dass jedes einzelne Positionssignal nach der Berechnungsvorschrift gemäß Gleichung (1) bestimmt wird, ist bereits für jedes einzelne Positionssignal ein hohes Maß an Genauigkeit gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Speicherung des Positionssignals kann dabei entweder das Speichern des Winkelwerts oder aber das Speichern eines weiterverarbeiteten linearisierten Wertes dieses Winkels aufweisen. Welche Variante hier gewählt wird, hängt wiederum davon ab, wie viel Rechenkapazität und Intelligenz in den einzelnen Magnetfeldsonden vorhanden ist.
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Zum besseren Verständnis der vorlegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer 3D-Hallsonde;
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2 den Verlauf der erzeugten Magnetfeldkomponenten in Abhängigkeit von der Position des Permanentmagneten bezüglich einer einzelnen Hallsonde;
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3 den Verlauf des aus den erzeugten Magnetfeldkomponenten berechneten Betrags des magnetischen Flusses am Ort der Hallsonde aus 1;
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4 den Verlauf des aus den erzeugten Magnetfeldkomponenten berechneten Winkels α sowie den Verlauf eines linearisierten Winkels;
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5 den Verlauf des Ausgangssignals des Sensors als Funktion des Ortes z;
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6 den Verlauf des Winkels α bei Verfahrwegen außerhalb des eigentlichen Messbereichs der Hallsonde aus 1;
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7 eine Darstellung des Ausgangssignals eines Hallsensors ohne Speichereinheit bei Betrieb mit großem Verfahrweg;
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8 eine schematische Darstellung mit einer Sensoranordnung zur Erfassung eines Randbereichs des Messbereichs;
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9 eine schematische Darstellung einer mit einer Vielzahl von Magnetfeldsonden ausgestatteten Sensoranordnung;
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10 den Verlauf der berechneten Winkel α für die einzelnen Magnetfeldsonden einer Anordnung wie aus 9 am Beispiel von drei Sonden;
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11 eine Darstellung des Verlaufs des zu 10 gehörigen Gesamtsignals;
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12 eine schematische Darstellung des Gesamtsignals in linearisierter Form gemäß einer ersten Ausführungsform;
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13 eine schematische Darstellung des Gesamtsignals in linearisierter Form gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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14 eine schematische Darstellung des Gesamtsignals in linearisierter Form gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Die Erfindung soll nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden.
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Eine Weggeberanordnung mit einer einzelnen Hallsonde ist in 1 gezeigt. Dabei ist ein Hallsensor 100 ortsfest montiert, während ein Permanentmagnet 102 linear beweglich mit Bezug auf den Hallsensor 100 gelagert ist. Der Permanentmagnet 102 ist so gepolt, dass seine Nord/Süd-Achse parallel zu der Bewegungsrichtung orientiert ist. Grundsätzlich lassen sich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung aber auch für Anordnungen anwenden, bei denen der Permanentmagnet 102 so gepolt ist, dass seine Nord/Süd-Achse quer zur Bewegungsrichtung verläuft. Der Permanentmagnet 102 kann aus der in 1 gezeigten Nulllage heraus in zwei Richtungen um einen von der jeweiligen Anwendung bestimmten Verfahrweg 104 verschoben werden. Dabei detektiert der Hallsensor 100 mindestens zwei orthogonale Magnetfeldkomponenten – eine, die entlang der Bewegungslinie verläuft, und eine, die quer dazu verläuft (siehe 2). Die vektorielle Addition der beiden Komponenten liefert den Betrag der Magnetfeldes |B →|, wie er ins 3 dargestellt ist. Der Winkel α ist als derjenige Winkel definiert, der von dem Gesamtmagnetfeldvektor |B →| mit der Senkrechten zur Bewegungsrichtung eingeschlossen wird.
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Wie bereits erwähnt, berechnet sich der Winkel α aus den Magnetfeldkomponenten entlang bzw. quer zu der Bewegungsrichtung gemäß Gleichung (1): α = arctan( Bz / By) (1)
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Der berechnete Winkel α wird linearisiert, um als wegproportionales Ausgangssignal OUT zur Verfügung zu stehen, wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist.
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Selbstverständlich lassen sich die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf andere Magnetfeldquellen, z. B. Elektromagnete, und auf andere Magnetfeldsensoren, wie magnetoresistive Sensoren oder induktive Sensoren, übertragen.
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In der vorliegenden Beschreibung werden als Magnetfeldkomponenten, die in Abhängigkeit von der Position des Permanentmagneten 102 im Magnetfeldsensor, hier einem Hallsensor 100, gemessen werden, zum Einen die Werte des Magnetfeldes entlang der Bewegungsrichtung Bz und zum Anderen die Werte des Magnetfeldes quer zur Bewegungsrichtung By verwendet. Selbstverständlich können auch die orthogonal zu By verlaufenden Werte Bx für die Berechnung verwendet werden.
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6 zeigt den gemäß Gleichung (1) berechneten Winkel α für einen weitergehenden Verfahrbereich zwischen – und +40 mm für die Anordnung der 1, bei welcher der 3D-Hallsensor 100 in der Mitte des zu erfassenden Messweges positioniert ist. Bei der Position z = 0 ist der Betrag des magnetischen Ansteuerfeldes |B →| maximal. An den Messbereichsenden (hier: bei z-Werten von mehr als + bzw. –35 mm) wird das magnetische Ansteuerfeld sehr schwach, so dass die Werte für By und Bz zur Berechnung des Winkels sehr klein werden und entsprechend das Signalrauschverhältnis beider Werte für die Berechnung ungünstig wird. Dies führt zu einer großen Variation bis hin zu einer Oszillation des Wertes α an den Messbereichsenden (–180° bzw. +180°), wie dies in 6 dargstellt ist.
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Um dieses unerwünschte Verhalten zu unterdrücken, wird bei manchen bekannten Sensoren der Betrag |B →| kontinuierlich überwacht. Bei Unterschreiten eines Mindestwertes wird das Sensorsignal abgeschaltet, oder aber ein Wert außerhalb des zulässigen Kennlinienbereichs ausgegeben. Dies ist in 7 dargestellt. Hier wird für einen Bereich z < –35 mm und z > +35 mm der Sensor abgeschaltet und die Wegposition des Magneten kann nicht mehr dargestellt werden. Die Signalrauschverhältnisse der magnetischen Flussdichten By bzw. Bz begrenzen daher bei diesen bekannten Sensoren den maximal möglichen Verfahrbereich des Magneten, da die Komponenten der magnetischen Flussdichte noch groß genug sein müssen, um ein aussagekräftiges Messsignal zu liefern.
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Wie in 8 gezeigt, kann zur Vergrößerung des Messbereichs ein größerer Ansteuermagnet verwendet werden, wobei MBA den Messbereichsanfang, MBE das Messbereichsende und MBM die Messbereichsmitte bezeichnen.
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Demgegenüber schlägt die
DE 10 2012 203 225.8 einen 3D-Hallsensor
102 mit einer Speichereinheit
106 vor.
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In vorteilhafter Weise besitzt der Sensor 100 eine Speichereinrichtung 110, die in der Lage ist, als Latch zum Speichern des letzten aktuellen Werts α vor dem Verlassen des Magneten aus dem Erfassungsbereich zu arbeiten. Alternativ oder zusätzlich kann auch der linearisierte und gegebenenfalls noch anderweitig verarbeitete Ausgabewert OUT gespeichert sein.
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Der Sensor gibt diesen Wert so lange aus, bis der Magnet 102 wieder zurück in den Erfassungsbereich des Sensors 100 eintritt. Mit anderen Worten: Der 3D-Hallsensor 100 wird durch eine Speicherfunktion des letzten gültigen Ausgabewertes ergänzt, so dass nun theoretisch unendlich große Verfahrbereiche des Magneten in der Messanordnung bei dennoch stabilem Verhalten des Sensors möglich sind.
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Das Verlassen des Magneten aus dem Erfassungsbereich wird mit Hilfe des Betrags der Flussdichte |B →| ausgewertet. Wenn der Betrag |B →| kleiner als ein Schwellenwert für die Mindestflussdichte Bmin ist, wird der letzte gültige Wert von α als Speicherwert α_latched gespeichert und für die Berechnung des Ausgabesignal OUT weiter verwendet.
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Je nachdem, wie eng der zulässige Bereich für den Betrag des B-Feldes gewählt wird, verändert sich die Lage der abgespeicherten Werte und die Breite des übrigbleibenden linearen Bereichs. Eine Begrenzung auf größere Schwellenwerte Bmin hat den Vorteil, dass das Signalrauschverhältnis größer und die Gefahr von Störungen geringer ist, hat aber den Nachteil, dass der eigentliche dynamische Messbereich schmaler ist.
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Die in der
DE 10 2012 203 225.8 vorgeschlagene Latch-Funktion für den Fall, dass die Hallsonde das Ansteuermagnetfeld des Permanentmagneten
102 verliert, lässt sich gemäß der vorliegenden Erfindung für eine besonders effiziente Erweiterung des Messbereichs nutzen. Wie in
9 dargestellt, wird erfindungsgemäß anstelle nur eines einzelnen Hallsensors eine Vielzahl von Magnetfeldsonden
106-1 bis
106-N entlang des Verfahrweges
104 angebracht. Der Permanentmagnet
102 bewegt sich bei Betrieb des Weggebers entlang des Verfahrweges
104 auf die einzelnen Hallsonden zu und anschließend wieder weg. Aus der Sicht jeder einzelnen Hallsonde
106-1 bis
106-N wird daher die Ansteuerung durch den Permanentmagneten zunächst zunehmend stärker, bis sie maximal ist, und nimmt dann wieder ab, bis sie vollständig verloren geht.
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Erfindungsgemäß liefert jede Hallsonde 106-1 bis 106-N als Positionssignal solange aktuell gemessene Werte für den Winkel α, solange die an ihrem Ort gemessene Magnetfeldstärke |B1|, |B2|, |BN| ausreichend hoch ist. Ist der Betrag der Magnetfeldstärke am Ort der zugehörigen Sonde geringer als ein definierter Schwellenwert, wird als entsprechendes Positionssignal der jeweils letzte gültige gemessene Wert verwendet. Dabei ist es unerheblich, ob der Vergleich des Magnetfeldbetrags und das Abspeichern der Winkelsignale direkt in den jeweiligen Hallsonden 106-1 bis 106-N erfolgt oder erst in der übergeordneten Auswertungs- und Berechnungseinheit 108. Verwendet man Hallsonden 106-1 bis 106-N mit höherer Intelligenz und einer integrierten Speicherfunktion, hat dies den Vorteil, dass durch die Messwertverarbeitung vor Ort der Einfluss von einstreuenden Störungen reduziert werden kann. Andererseits hat die Anordnung der Speichereinheit 110 in der Auswertungs- und Berechnungseinheit 108 den Vorteil, dass auf dem Markt erhältliche Hallsonden ohne jegliche Modifikationen verwendet werden können.
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10 zeigt in Abhängigkeit von dem Verfahrweg 104 die einzelnen Positionssignale α1, α2, α3 für eine Sensoranordnung mit drei Magnetfeldsonden 106-1, 106-2, 106-3. Gemäß der vorliegenden Erfindung liefert jede Sonde über den gesamten, hier von –100 mm bis +100 mm reichenden, Verfahrbereich gültige Messwerte, wobei jeweils direkt am Ort der einzelnen Magnetfeldsonde der Nullpunkt für die jeweilige Winkelkurve liegt. An den Randbereichen werden stabil die jeweils letzten gültigen Positionswerte solange ausgegeben, bis der Permanentmagnet 102 die jeweilige Hallsonde 106-1 bis 106-3 wieder ansteuert. Die drei so gewonnenen Signale α1, α2 und α3 haben nun im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen mit mehr als einer Magnetfeldsonde keine Unstetigkeitsstellen in den Randbereichen der einzelnen zu kombinierenden Übertragungskurven, und die Kombination dieser Signale zu einem Gesamtsignal kann problemlos mit Hilfe geeigneter Berechnungsvorschriften erfolgen.
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Beispielsweise kann die nachfolgende Gleichung (3) dazu verwendet werden, ein Gesamtmesssignal α_gesamt zu berechnen. αgesamt = α1 + α2 + α3 + ... + αN / N (3)
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Addiert man also entsprechend die Signale α1 bis α3 einer Reihe von drei Hallsonden, wie in 10 gezeigt, und dividiert den erhaltenen Wert jeweils durch 3 so erhält man speziell für den Fall der 10 als Gesamtwinkelsignal in Abhängigkeit von der Auslenkung z den in 11 dargestellten Kurvenverlauf für den Winkel α_gesamt.
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Ein Vergleich der Koordinatenwerte zwischen 10 und 11 zeigt, dass die Minimal- bzw. Maximalwerte sich für den kombinierten Weggeber nicht von denen einzelner Hallsonden unterscheiden, so dass für nachfolgende Elektronikkomponenten der erfindungsgemäße Weggeber mit erweitertem Messbereich ohne weitere Modifikationen verwendbar ist. Die in 11 schematisch gezeigte Gesamtwinkelkurve kann in analoger Weise auch für mehr als drei Hallsonden gebildet werden, wobei die Steilheit des Sensorsignals umso besser wird, je mehr einzelne Sonden verwendet werden.
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Die nun gewonnene Winkelkurve α_gesamt entsprechend 11 kann durch die Auswertungs- und Berechnungseinheit in einem nächsten Schritt linearisiert werden, um ein lineares Weg proportionales Ausgangssignal OUT_array des Weggebers bereitzustellen. Dabei zeigen die 12 bis 14, verschiedene Varianten der Ausgangssignale OUT_array, je nachdem, wie die Winkelwerte α1 bis α3 und die Beträge der jeweiligen Magneffeldstärken |B1| bis |B3| in die Berechnung eingehen.
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So zeigt 12 eine Variante, bei der bei Verlust jeglicher Ansteuerung durch den Permanentmagneten 102 der Sensor abgeschaltet ist.
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13 zeigt ein Ausgangssignal OUT_array, das den letzten gültigen Messwert bei Verlust der Ansteuerung durch den Magneten für das Gesamtarray in den Randbereichen speichert.
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14 schließlich zeigt eine Ausgangssignalkurve, die so verrechnet wurde, dass eine maximale Steilheit in Abhängigkeit vom Weg z erreicht wird.
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Es ist aber für einen Fachmann klar, dass die Signalverarbeitung der einzelnen Winkelkurven auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen kann, solange sichergestellt wird, dass in den Überlappungsbereichen zwischen den einzelnen Magnetfeldsonden
106-1 bis
106-N keine Unstetigkeitsstellen der ausgegebenen und für die Berechnung verwendeten Positionssignale vorliegen. BEZUGSZEICHEN
| 100 | Magnetfeldsensor |
| 102 | Permanentmagnet |
| 104 | Verfahrweg |
| 106, 106-1, 106-2, ... 106-N | Magnetfeldsonde |
| 108 | Auswertungs- und Berechnungseinheit |
| 110 | Speichereinheit |