SE520176C2 - Förfarande och anordning för lägesdetektering med hjälp av en induktiv lägesgivare - Google Patents

Description

25 30 35 520 176 ïfïfiïf=íiïïïiivfgl komponenter tänkas behöva en noggrann lägesgivare.

Ett förut känt sätt för lägesdetektering är att utnyttja en induktiv lägesgivare, vilket är en förut känd typ av givare sonl generellt innefattar en spole samt en kärna. som. är rörlig inuti spolen. Den rörliga kärnan påverkas mekaniskt av den komponent vars läge skall detekteras, varvid spolens induktans varierar i beroende av kärnans position inuti spolen.

Med en induktiv lägesgivare av förut känt slag kan läget komponent detekteras pà följande vis. En till den i varpà en spänningspuls kopplas in till spolen. I enlighet hos en viss strömkälla ansluts givaren ingående spolen, med kända fysikaliska samband bildas ett av strömstyrkan beroende magnetiskt fält kring spolen. Detta medför i sin tur att det alstras en elektromotorisk kraft som är riktad så att den motverkar strömmen. Denna motriktade spänning är proportionell mot strömändringen per tidsenhet. Proportio- nalitetskonstanten kallas spolens induktans, L, och beror av spolens utförande.

Styrkan hos strömmen genom spolen bestäms i varje ögonblick av strömkällans spänning minus den motriktade elektro- motoriska kraften. Strömmen genom spolen kommer därför att successivt stiga mot ett slutligt värde, vilket bestäms av den pàlagda spänningen och spolens resistans. Strömstyrkan i genom spolen kommer approximativt att öka enligt sambandet i = U/R - <1-e'*““”“> där U är den pálagda spänningen, R är spolens resistans och L är spolens induktans. I det fall att spolen är försedd med en rörlig kärna varierar induktansen L med kärnans 10 15 20 25 30 35 : 520 176 läge. Kretsens tidskonstant har värdet L/R. Efter denna tid har strömstyrkan stigit till l-l/e, vilket är ungefär lika med 63% av strömmens slutvärde.

I samband med den kända induktiva givaren kommer sàledes en spänningspuls att kopplas över givarens spole, varvid strömmen, ökar~ med. tiden. enligt vad son1 beskrivits ovan.

Induktansen, och därigenom ocksä tidskonstanten (d.v.s.

L/R) för strömökningen varierar i beroende pà det läge som skall mätas, vilket i sin tur beror pá hur långt in kärnan har skjutits i spolen. Den tid som det tar för strömmen att stiga till ett därefter till ett motsvarande läge för kärnan. I enlighet förutbestämt värde mäts och omräknas med känd teknik kan en spänningsmatning utnyttjas i vilken pulser går till ett positivt konstant värde och därefter åter till noll efter en bestämd tid. känt att utnyttja periodiskt upprepade pulser.

Det är också förut Fastän denna tidigare kända lägesdetektering normalt ger en acceptabel lägesdetektering är den behäftad med en nackdel i det att ett betydande Detta ger föreligger. vilket För att lösa detta problem kan temperaturberoende upphov till felaktiga mätsignaler, givetvis är~ ett problem. olika metoder för kompensering av Enligt känd teknik kan temperaturberoendet beskrivas matematiskt och empiriskt, temperaturberoendet utnyttjas. exempelvis temperaturberoendet dock att som dessutom varvid en kompensation kan ske för Detta fördyrande extrautrustning' måste utnyttjas, genom omräkning av mätvärden. medför kan bli alltför komplicerad.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN: Ett huvudsakligt ändamål med den föreliggande uppfinningen är således att lösa ovannämnda problem och tillhandahålla en förbättrad metod för huvudsakligen temperaturoberoende lägesdetektering, i synnerhet av rörliga komponenter i en 10 15 20 25 30 35 . m .. ..- __~',_ -. v .. , . . .. ,, , n f " , , _. I ,.,.- 2 ;~ _ _ , 1 . . * lvl. k drivlina för ett motorfordon. Detta uppnås med ett förfarande av i inledningen nämnt slag, vars särdrag framgår av^ patentkrav l. Ändamålet uppnås också med en anordning av i inledningen nämnt slag, vars särdrag framgår av patentkrav 8.

Uppfinningen är avsedd för detektering av positionen hos ett rörligt element med hjälp av en induktiv lägesgivare sonl innefattar en spole samt en i. spolen rörlig kärna.

Kärnans läge beror av positionen hos nämnda element, varvid ett mått på induktansen hos nämnda spolen, vilket svarar mot kärnans position, detekteras genom. anslutning av en spänning till nämnda spole samt mätning av tiden som förflyter tills en ström genom spolen når en förutbestämd nivå. Enligt uppfinningen utförs en matning av en fyrkantsspänning till spolen, en mätning av strömmen som flyter genom spolen samt en mätning av den tid som förflyter tills strömmen går från en första förutbestämd nivå till en andra förutbestämd nivå. Ett mått på kärnans position erhålles genon1 nämnda tidsmätning. Genom. att i enlighet med uppfinningen välja lämpliga strömnivåer blir tiden och därmed lägesbestämningen praktiskt taget temperaturoberoende. Härigenon1 uppnås att temperatur- beroendet vid en lägesdetektering i princip kan elimineras, utan att fördyrande extrautrustning för temperatur- kompensering behöver utnyttjas.

Med uppfinningen uppnås en hög mätnoggrannhet i miljöer där temperaturen varierar kraftigt i tiden och i rummet.

Dessutom kan uppfinningen realiseras i form av en billig och robust givare.

Enligt uppfinningen kan en relativt hög frekvens på nämnda fyrkantsspänning väljas, vilket medför att ett stort antal mätningar kan göras och ett medelvärde av dessa mätningar kan bildas. Detta medför att tillfälliga variationer, t.ex. 10 15 20 25 30 35 ,s2o 17eS till följd av vibrationer hos lägesgivaren, inte påverkar mätningarna.

Fördelaktiga utföringsformer framgår av de efterföljande beroende patentkraven.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i anslut- ning till föredragna utföringsexempel samt de bifogade figurerna, där figur 1 visar schematiskt och delvis i tvärsnitt en lägesgivare, samt en styranordning, som kan utnyttjas i enlighet med uppfinningen, figur 2 visar ett spänning- och strömdiagram, som åskådliggör uppfinningens funktion, figur 3 visar två strömkurvor som svarar mot två olika temperaturer, figur 4 visar två strömkurvor som illustrerar hur en temperaturkompensering vid mätningar enligt uppfinningen kan utföras, och figur 5 visar hur temperaturmätning sker vid en alternativ utföringsform av uppfinningen.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM: I figur 1 visas en lägesgivare 1 som kan utnyttjas i uppfinningen. Enligt en avsedd att samband med den föreliggande föredragen utföringsform är lägesgivaren 1 utnyttjas i samband med tyngre lastfordon, närmare bestämt för lägesdetektering vid en koppling eller en växellåda hos fordonet. Således visas i den nedre delen av figuren en sidovy, delvis i tvärsnitt, av en lägesgivare 1 som är anordnad i ett lock eller hölje 2, exempelvis i en sådan koppling eller växellåda. Lägesgivaren lv är anordnad så att den, kan skruvas fast i ett hål genonl höljet 2 Ined 10 15 20 25 30 35 520 176 ß b hjälp av en skruv 3. På så vis har lägesgivaren 1 sin utsträckning genom detta hölje 2.

Lägesgivaren 1 innefattar en rörlig komponent i form av en kärna 4, vilken är anordnad på insidan av höljet 2 och är rörlig inuti en spole 5 (som visas med streckade linjer).

Vidare är spolen 5 ansluten till en separat mätanordning 6 Mätanordningen 6 och detalj Uppfinningen är inte begränsad till det kretsschema som via två elektriska anslutningar 7, 8. dess funktion kommer att beskrivas i nedan. framgår av figur 1, utan mätanordningen 6 kan realiseras på andra sätt.

Lägesgivaren 1 är av induktiv typ, vilket är en givartyp som är i sig känd. Vidare är lägesgivaren 1 installerad i höljet 2 så att kärnan 4 kan påverkas mekaniskt av ett element 9 som är rörligt fram och åter längs i kärnans 4 längsriktning, enligt vad som markeras med en pil 10. I de tillämpningar som är lämpliga för uppfinningen kan elementet 9 i realiteten utgöras av exempelvis en axel, kolvstång eller hylsa. Uppfinningen är dock inte begränsad till dessa exempel, utan kan tillämpas även vid andra komponenter. Elementet 9 är företrädesvis inrättat att förflyttas exempelvis kan ligga inom ett intervall mellan några få kunna fram och åter en viss sträcka, som millimeter och några hundra millimeter. Enligt vad som nämnts inledningsvis varierar spolens 5 induktans med hur långt kärnan 4 är inskjuten i spolen 5. Kärnans 4 läge beror i sin tur av elementets 9 läge längs kärnans 4 längsriktning. I det följande kommer att beskrivas hur ett mått på induktansen, och därigenom pà elementets 9 läge, kan bestämmas enligt uppfinningen.

Lägesgivaren 1 är som ovan nämnts ansluten till en mätanordning 6. Denna innefattar en datorenhet 11 som är inrättad för samband med styrning och mätning i 10 15 20 25 30 35 520 176 detta datorenheten 11 inrättad att driva en första operationsförstärkare 12, via lägesdetektering. För ändamål är en resistor 13 som är inkopplad mot operationsförstärkarens 12 negativa ingång, så att det på operationsförstärkarens 12 utgång Operations- föreligger en fyrkantsspänning. förstärkarens 12 utgång är härvid återkoppladt mot dess negativa ingång via en ytterligare resistor 14. Fyrkants- spänningen tas ut vid en anslutning' 15 och. matas genom spolen 5. Företrädesvis har fyrkantsspänningen en frekvens som ligger mellan 2 Hz och 2kHz.

Enligt vad som förklarats ovan ger spänningen över spolen 5 upphov till en ström i som varierar med tiden. Strömmen i kan lnätas genon1 att spolen, 5 också är anslutent till en andra anslutning 16 hos mätanordningen 6. Denna anslutning 16 är ansluten till en andra operationsförstärkare 17, som enligt utföringsformen. är kopplad. sonl en ström-spänning- omvandlare med en resistor 18 mellan operationsförstär- karens 17 utgång och dess negativa ingång. Vidare är operationsförstärkarens 17 utgång ansluten till en ingång elektrisk förbindelse 19. anslutningen 16, och på datorenheten 11, via en Mätströmmen i matas till enligt tidigare kända samband kommer spänningen på den andra operationsförstärkarens 17 utgång att vara huvudsakligen lika med omvända tecknet av strömmen i nmltiplicerat med resistansen hos resistorn 18. Denna spänning kan detekteras i datorenheten 11, varigenom ett värde på strömmen i kan bestämmas.

En grundtanke bakom uppfinningen är att den tid tl det tar för strömmen i att stiga från en första nivå il till en andra nivå i2 mätes. Denna uppmätta tid ger ett mått på läget hos kärnan 4, beroende pà att spolens 5 induktans FA lfiqL ÅLÃV-:AIAQAvn Ö--z/Jrw rfx fw -\ A ^' 1' \ux,11 uaiigciiuiu tiuanuiiatautc 1 L/Px iur StrOITmGIlS _;_ förändring) varierar beroende på hur långt kärnan 4 är 10 15 20 25 30 U.) U'| l520 176% inskjuten i spolen 5.

I figur 2 illustreras uppfinningens funktionssätt med hjälp av ström- och spänningsdiagram. Den ovannämnda fyrkants-spänningen som levereras av den första operations-förstärkaren visas med en streckad linje 20.

Enligt symmetriskt kring 0 V och varierar mellan två värden U utföringsformen väljes fyrkantsspänningen respektive -U. Strömmen i genonl spolen 5 visas med. en heldragen linje 21. När fyrkantsspänningen byter polaritet kommer tidsderivatan hos strömmen i att byta tecken och strömmen förändras i en viss takt, vilken bestäms av dess induktans. Induktansen beror i sin tur av hur långt kärnan 4 har skjutits in i spolen 5. Spolens 5 induktans, och därigenom elementets 9 position, kan bestämmas genom att datorenheten ll (se figur 1) mäter tiden tl det tar för strömmen i att gå från ett första värde il till ett andra värde i2.

Då kärnan magnetiseras med hjälp av symmetrisk växelspänning (t.ex. en fyrkantspänning) över spolen fås en symmetrisk magnetiseringskurva/hystereskurva (magnetfältet B som funktion av N i, där N är antal varv hos spolen). Lutningen på denna kurva bestämmer spolens momentana induktans (i varje punkt på kurvan).

Magnetiseringskurvan uppvisar den gynnsamma egenskapen att den momentana induktansen är tämligen opåverkad av temperaturen, där strömmen .i är" nära noll. Dessutonl är inverkan av spolens resistans (och därmed dess temperaturberoende) liten, då strömmen genom den är liten.

För att få säkra mätningar skall mättiden tl vara så stor som möjligt och därför väljs de två strömnivåerna il, ig så långt från varandra som möjligt. De optimala värdena på t lll" _ömniv erna får utprovas från fall till fall och ligger l vanligtvis inte symmetriskt kring noll. 10 15 20 25 30 35 v. --_.; 520 176 3 De magnetiska egenskaperna hos magnetkärnan är olinjära och temperaturberoende. Då en magnetiseringskurva genomlöpes åtgår energi, vilket delvis kan ses som en förlustresistans i serie med resistans. Sammantaget med blir det totala temperaturberoendet komplext, speciellt om kärna och spole spolens spolresistansens temperaturberoende får olika temperatur, t.ex. under transienta förlopp.

En grundtanke bakom den föreliggande uppfinningen är baserad på insikten att ett lågt temperaturberoende ges om strömnivåerna il och i; väljs tillräckligt nära noll. Detta beror bl.a. på att spolens 5 resistans inte påverkar tidsderivatan av strömmen _i vid en ström._i smn är nära noll. detta på att magnetiska egenskaper samt de så kallade serieresistanserna Närmare bestämt beror kärnans 4 som uppträder i spolen 5 och kärnan 4 får liten inverkan vid små strömmar om villkoret symmetrisk magnetisering samtidigt är uppfyllt genom symmetrisk spänningsmatning.

Enligt uppfinningen väljes således strömnivåerna il och 12 så att de ligger inom ett intervall nära noll som uppvisar ett lågt temperaturberoende.

I figur 3 visas i närmare detalj hur strömnivàerna il, ig kan väljas. Figuren utgör en förstoring av ett avsnitt av diagrammet enligt figur 2 båda är av det slag som visas i figur 2, men där den ena strömkurvan 22 visar strömmen i det fall där lägesgivaren arbetar vid en relativt låg temperatur (t.ex. 25° C) och där den andra strömkurvan 23 visar strömmen, när läges- givaren har en relativt hög temperatur (t.ex. lO5° C). Som en följd av det ovan beskrivna temperaturberoendet gäller att de två kurvorna 22, 23 har något olika utseende.

Vid en lägesdetektering mäter enligt uppfinningen 10 15 20 25 30 35 520 176 10 datorenheten ll tiden ti som förflyter fràn att strömmen i i1 till det strömvärdet 12. I figur 3 indikeras tiden ti som förflyter gär från det första strömvärdet andra när strömkurvan 22 (som svarar mot en relativt làg temperatur) gar mellan de tvà nivàerna ii, iz.

Enligt en alternativ utföringsform, som beskrivs med hänvisning till figur 5, kan längden av ett tidsintervall tg som förflyter från det att fyrkantsspänningen slår om och växlar polaritet och tills en av strömnivàerna näs kan utnyttjas som ett mått pà temperaturen. Om sä är önskvärt kan därför en ytterligare förfinad temperaturkompensation utöver vad som beskrivits enligt närmare göras ovan, bestämt genom en extra beräkningsmässig kompensation.

Vidare kan förfarandet enligt uppfinningen utnyttjas för att medelvärdesbilda resultaten från ett stort antal mätningar av tiden tl. Detta nbjliggörs genom att fyrkantsspänningen är av en relativt hög frekvens, av storleksordningen 250 Hz. För detta ändamål är datorenheten ll inrättad att bestämma ett medelvärde av exempelvis 10 eller 50 mätningar av den aktuella positionen hos elementet 9. Fördelen med detta tillfälliga position, t.ex. till följd av vibrationer eller transienta förfarande är att en eventuell inverkan av avvikelser hos elementets 9 rörelser, kan elimineras.

Uppfinningen. är inte begränsad “till vad. soul anges ovan, utan olika utföringsformer är möjliga inom ramen för patentkraven. Exempelvis är mätmetoden lämplig att utnyttjas i många olika applikationer, t.ex. för detektering av läget för olika komponenter i en drivlina för ett fordon eller andra industriella produkter. Dessutom kan fyrkantsspänningar av olika frekvens och "dtty cycle utnyttjas. Exempelvis är uppfinningen inte begränsad till §520 175@ ?ÜÜïäïw ll att matningsspänningen är av tidssymmetrisk fyrkantsform, utan även andra vågformer kan komma ifråga.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 520 176 12 PATENTKRAV:

1. l. Förfarande för huvudsakligen temperaturoberoende detektering av positionen hos ett rörligt element (9) med hjälp av en induktiv lägesgivare (1) innefattande en spole (5) samt en i spolen rörlig kärna (4) vars läge i förhållande till spolen (5) beror av positionen hos nämnda element (9), varvid ett mått på induktansen hos nämnda spolen (5), svarande mot kärnans (4) position, detekteras genom anslutning av en spänning till nämnda spole (5) samt mätning av tiden som förflyter tills en ström (i) genom spolen (5) ändras mellan två förutbestämda nivåer, k ä n n e t e c k n a t d ä I* a v, att det innefattar följande steg: matning av en regelbundet växlande spänning till spolen (5), mätning av strömmen (i) som flyter genom spolen (5), mätning av den tid (tl) som förflyter tills nämnda ström (i) går från en första förutbestämd nivå (il) till en andra förutbestämd nivå (iz), varvid nämnda nivåer (i1, ifl väljes så att ett minimalt temperaturberoende fås vid nämnda detektering, samt bestämning av ett mått på kärnans (4) position genom mätningen av nämnda tid (tfl.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a XI , att nämnda nivåer (il, iz) väljes inom ett intervall så att mätningen av nämnda tid (tl) ger ett minimalt temperaturberoende.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att nämnda nivåer (il, i2) väljes nära noll.

4. Förfarande enligt patentkrav 2 eller 3, k ä n n e - 10 15 20 25 30 35 » 520 176 13 t e c k n a t d ä r a v , att nämnda växlande spänning är en fyrkantsspänning.

5. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , att nämnda fyrkants- spänning väljes symmetriskt så att den växlar mellan två spänningsnivåer som ligger symmetriskt kring O V.

6. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä 1: a v, att nämnda fyrkants- spänning har en frekvens mellan 2 Hz och 2kHz. föregående patentkrav, enligt något av d ä r a v , att ett stort antal

7. Förfarande k ä n n e t e c k n a t mätningar av nämnda tid (t1) utnyttjas för en bestämning av ett medelvärde av nämnda tid (tfl. temperaturoberoende

8. Anordning för huvudsakligen detektering av positionen hos ett rörligt element (9) innefattande en induktiv lägesgivare (1) med en spole (5) och en i spolen rörlig kärna (4) vars läge i förhållande till spolen (5) beror av positionen hos nämnda element (9), samt innefattande en Inätanordning (6) för~ matning av' en spänning genom spolen (5), för* mätning av strömmen (i) genom spolen (5) samt för mätning av tiden som förflyter mellan tidpunkterna då strömmen (i) genom spolen (5) passerar två förutbestämda nivåer, varvid ett mått pà induktansen hos nämnda spolen (5), svarande mot kärnans (4) position, härleds ur nämnda tidsmätning, k ä n n e - t e c k n a d innefattar en förstärkaranordning (12) d ä r a v, att nämnda mätanordning (6) för matning av en regelbundet växlande spänning genom nämnda spole (5), samt är inrättad att mäta den tid (tfl går från. en första att mätanordningen (6) som förflyter tills nämnda ström (i) till en andra förutbestämd nivå så att ett förutbestämd nivå (ifl (i2), varvid nämnda nivåer (il, iz) väljes _, , .. I ~« '-1 . ß - ~ - ° ~ ' * i 2 .- V . | I | a - v ;= l n u :I v '; ; G I 5 9 L I _, , ., . 14 minimalt temperaturberoende fås vid nämnda detektering, varvid nämnda tid (t1) utnyttjas vid bestämning av ett mått på kärnans (4) position.