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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Sensorzeile zur Positionserfassung mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren,
die ein Magnetfeld detektieren und Signale abgeben, welche jeweils
einen Maximalwert, einen Minimalwert und einen dazwischenliegenden
Halbpegel aufweisen, und auf ein Verfahren zur kontaktlosen, linearen
Positionsmessung zwischen zwei Bauteilen, mit der Verwendung zweier
an einem ersten Bauteil befestigten Magnetfeldsensoren, die ein
Magnetfeld detektieren und Signale abgeben, welche einen Maximalwert,
einen Minimalwert und einen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen.
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Das Prinzip solcher Sensoranordnungen
ist im Stand der Technik zur kontaktlosen Positionsmessung bekannt.
Dabei wird die Magnetfeldmessung eingesetzt, um durch Relativbewegungen
zwischen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ein Abstandssignal
zur Positionsmessung zu gewinnen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung findet
sich in der WO 00/09972 A1, bei der ein Magnetfeldsensor als Positionssensor
für einen
elektromechanischen Stellantrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
eingesetzt wird.
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Der Messbereich, der mit einem solchen Messverfahren
abgedeckt werden kann, hängt
regelmäßig von
den Eigenschaften des Magnetfeldsensors sowie des Permanentmagneten
ab. Dabei ist die erreichbare Ortsauflösung gegenläufig zum Messbereich. Um bei
gleichbleibender Auflösung
einen größeren Messbereich
abdecken zu können,
ist es bekannt, mehrere Sensoren entlang einer Längsachse aufzureihen, so dass
eine Sensorzeile erhalten wird.
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Die in solchen Sensorzeilen verwendeten Magnetfeldsensoren
sind insbesondere in Ausführungen
verfügbar,
bei denen in einem Nahbereich zwischen zwei Endpositionen das vom
Magnetsen einer Längsachse
aufzureihen, so dass eine Sensorzeile erhalten wird.
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Die in solchen Sensorzeilen verwendeten Magnetfeldsensoren
sind insbesondere in Ausführungen
verfügbar,
bei denen in einem Nahbereich zwischen zwei Endpositionen das vom
Magnetsensor abgegebene Signal annähernd linear verläuft, wodurch
eine hohe Auflösung
des Messsignals und eine präzise
Positionsbestimmung möglich
ist. Bei derartigen linearen Magnetfeldsensoren ist der Permanentmagnet
in der Regel stabförmig
ausgebildet. Er kann so ausgerichtet werden, dass seine Magnetachse
senkrecht zur Bewegungsrichtung, mit der der Permanentmagnet über den
Magnetfeldsensor bewegt wird, liegt.
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Magnetsensoranordnungen zur Positionsmessung
haben den Vorteil, dass nur geringer baulicher Aufwand nötig ist,
insbesondere können
die Sensoren und Permanentmagneten sehr klein gehalten werden. Darüber hinaus
sind sie sehr robust und insbesondere verschmutzungsunanfällig. Zur
Auswertung wird normalerweise das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors,
insbesondere wenn es, wie bei einem linearen Sensor, proportional
zur gemessenen Feldstärke
ist, mittels einer festen Kalibrationskurve innerhalb eines vorgegebenen
Arbeitsbereiches, der im wesentlichen den vorerwähnten linearen Zusammenhang
wiedergibt, umgesetzt. Zur Auswertung der Magnetfeldsensoren einer
Sensorzeile wird dabei jeweils so zwischen den Signalen der einzelnen
Magnetfeldsensoren umgeschaltet, dass das Signal eines jeden Sensors
im Bereich optimaler Auflösung und
Signalstärke
ausgewertet wird.
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Dabei müssen jedoch Signalschwankungen durch
Einbautoleranzen hinsichtlich der gegenseitigen Lage von Permanentmagnet
und Magnetfeldsensor so gering wie möglich gehalten werden, da die
Signale der Magnetfeldsensoren stark vom Abstand des Permanentmagneten
abhängen,
mit dem dieser über
die Sensorzeile geführt
wird. Auch sind Magnetfeldmessungen bei Anwendungen, bei denen starke
Temperaturunterschiede auftreten können, nicht besonders vorteilhaft,
da Temperaturänderungen
zum einen in der Regel eine Änderung
des Abstandes zwischen Magnetfeldsensor und Permanentmagnet mit
sich bringen und zum anderen die Koerzitivkraft der meisten Permanentmagneten
stark von der Temperatur abhängt.
Für Anwendungen,
bei denen die dadurch bedingten Fehler nicht tolerierbar sind, bzw.
bei denen deren Vermeidung zu unverhältnismäßig hohen Kosten führen würde, sind
andere Sensoren bekannt, beispielsweise mit optischen Sensorkonzepten.
Diese sind jedoch in der Regel teurer und haben andere Nachteile,
wie Verschmutzungsanfälligkeit.
Auch ist es möglich,
nach Temperaturmessungen eine Fehlerkorrektur vorzunehmen. Dies
ist aber ebenfalls aufwendig. Die
DE 34 43 176 C1 offenbart ein Kalibrierungsverfahren
für mehrere auf
einer Achse gestaffelte Magnetfeldsensoren, die das Magnetfeld eines
Permanentmagneten erfassen.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Verfahren
sind aus der
DE 196
32 656 A1 bekannt, bei der mehrere magnetische Inkrementspuren
einer Drehscheibe abgetastet werden. Um dabei eine Auflösung zu
erreichen, die kleiner als die Inkrementteilung ist, kann jede Spur
von zwei Magnetfeldsensoren abgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
kontaktlose Positionsmessung der eingangs erwähnten Art so fortzubilden,
dass auch bei nicht inkrementalen Meßsystemen die Messgenauigkeit
gesteigert und die erwähnten
Fehlereinflüsse
hinsichtlich Temperaturabhängigkeit
und mechanischer Bauteiletoleranzen zu verringert sind.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer
Sensorzeile zur Positionserfassung mit mehreren auf einer Achse
aufgereihten Magnet feldsensoren, die ein Magnetfeld detektieren
und Signale abgeben, welche jeweils einen Maximalwert, einen Minimalwert
und einen dazwischenliegenden Halbpegel aufweisen, und die so beabstandet
sind, dass ein Magnetfeldsensor einen Maximalwert abgibt, wenn der
unmittelbar benachbarte Magnetfeldsensor ein Signal mit Halbpegel
abgibt, erfindungsgemäß gelöst durch
mindestens drei Magnetfeldsensoren, die das Magnetfeld einer einzigen
Magnetfeldquelle abführen.
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Diese Sensoranordnung ermöglicht eine
besonders vorteilhafte Signalauswertung mit günstigem Signal/Rausch-Verhältnis. Die
Staffelung der Magnetfeldsensoren ist erfindungsgemäß nicht
mehr von der bloßen
Ausdehnung der Sensoren abhängig,
wie man eigentlich erwarten würde,
sondern wird auf das von den Sensoren abgegebene Signal bezogen.
Mithin spielen die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren und die
Ausdehnung sowie die Feldstärke
der Magnetfeldquelle eine Rolle. Die Beabstandung der Magnetfeldsensoren
ist somit vorzugsweise anwendungsabhängig zu wählen.
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Die Magnetfeldsensoren der erfindungsgemäßen Sensorzeile
können
prinzipiell auf unterschiedlichste Magnetfeldquellen abgestimmt
sein. Dazu eignen sich sowohl bereits vorhandene Magnetfeldquellen
als auch speziell zu Messzwecken eingerichtete. Vorteilhaft und
wirtschaftlich ist es, wenn die Magnetfeldsensoren einer Sensorzeile,
die an einem ersten Bauteil befestigbar ist, auf einen an einem
zweiten Bauteil befestigten Permanentmagneten eingestellt sind und
Signale abgeben, die von dessen Lage abhängig sind. Vorteilhaft ist
es, dass die Beabstandung der Magnetfeldsensoren in der Sensorzeile
passend zur Ausdehnung der Magnetfeldquelle, beispielsweise eines
Permanentmagneten, gewählt
wird.
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Prinzipiell sind für die erfindungsgemäße Sensorzeile
alle geeigneten Magnetfeldsensoren tauglich, die ein entsprechendes
Signal abgeben, das zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert
mit dazwischenliegendem Halbpegel schwankt, wenn der Permanentmagnet über die
Magnetfeldsensoren geführt
wird. Besonders hohe Messgenauigkeiten ergaben sich mit linearen
Hallsensoren, weshalb es zu bevorzugen ist, lineare Hallsensoren
als Magnetfeldsensoren zu verwenden.
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Die Aufgabe wird zudem gelöst durch
ein Verfahren zur kontaktlosen, linearen Positionsmessung bei dem
Signale zweier unmittelbar benachbarter Magnetfeldsensoren dividiert
und vom Ergebnis der Arcus-Tangens gebildet wird als ein Abstandssignal,
das eine seitliche Lage eines Permanentmagneten bezüglich der
zwei Magnetfeldsensoren, deren Signale dividiert werden, wiedergibt.
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Die Erfindung erreicht dann ohne
Rückgriff auf
externe Kennlinien oder weitere Sensorik eine weitgehende Unabhängigkeit
hinsichtlich Temperatur- oder mechanischer Dejustagefehler. Überraschenderweise
zeigte sich, dass die erfindungsgemäße Rechenregel für das erste
und das zweite Magnetfeldsensorsignal über einen relativ großen Arbeitsbereich
eine gerade Kennlinie ergibt, die so gut wie vollständig unabhängig vom
Abstand zwischen Permanentmagnet und Magnetfeldsensor ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren
ergibt sich weiter der Vorteil, dass unabhängig von der örtlichen
Lage der Magnetfeldquelle sofort nach Aufnahme des Verfahrens ein
gültiges
Signal vorliegt. Eine vorherige Bewegung der Magnetfeldquelle, beispielsweise über den
kompletten Messbereich eines Magnetfeldsensors, wie beim Stand der
Technik, ist nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht
also sogenannte „True
Power On" Eigenschaften, was insbesondere bei automobilen Anwendungen äußerst vorteilhaft
ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann
weiter der Aufwand, der zur genauen Justage des Abstandes zwischen
Magnetfeldquelle und den Magnetfeldsensoren erforderlich ist, stark
vermindert werden, wodurch der Anwendungsbereich für derartige
kontaktlose Positionsmeßsysteme
stark vergrößert wird.
Darüber
hinaus sinkt die Fehlerempfindlichkeit auf Bewegungen der Magnetfeldquelle,
die nicht parallel zu der Ebene verlaufen, in der sich der Magnetfeldsensor
befindet. Somit sind durch das erfindungsgemäße Verfahren Magnetfeldmessungen nun
nicht nur für
geradlinige Bewegungen, sondern auch für leicht bogenförmige oder
schräg
verlaufende Bewegungen tauglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in einem
gewissen Arbeitsbereich einen linearen Zusammenhang zwischen dem
errechneten Abstandssignal und der Position der Magnetfeldquelle
bezüglich
der Magnetfeldsensoren. Zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches
können
drei oder mehrere Magnetfeldsensoren gestaffelt werden, um einen
größeren Messbereich
abzudecken. Dabei werden jeweils zwei Abstandssignale aus den Signalen
zweier benachbarter Magnetfeldsensoren gebildet und in einer Hysterese
ausgewertet. Somit kann durch eine Sensorzeile, in der mehr als
zwei Magnetfeldsensoren entlang einer Längsachse beabstandet aufgereiht sind,
auf der sich die Magnetfeldquelle bewegt, ein nahezu beliebig großer Messbereich
abgedeckt werden. Damit werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Mess verfahrens
auch über
eine große
Messstrecke, die größer als
der Arbeitsbereich zweier Magnetfeldsensoren ist, ausgenutzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Sensorzeile zur kontaktlosen Positionsmessung,
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2 eine
Kurvenschar eines Magnetfeldsensors, über den in verschiedenen Abständen ein
Permanentmagnet geführt
wird,
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3 Kurvenscharen
zweier beabstandeter Magnetfeldsensoren, über die in verschiedenen Abständen ein
Permanentmagnet geführt
wird,
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4 Beispiele
für die
Kurven dreier gestaffelter Magnetfeldsensoren in einer Sensorzeile
und
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5 Beispiele
für die
Auswertung der Abstandsignale zweier benachbarter Magnetfeldsensoren
mittels einer Hystereseschleife.
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Eine schematische Darstellung zur
kontaktlosen Positionsmessung mittels Magnetfeldsensoren, die an
einem ersten Bauteil befestigt sind, und einem Permanentmagneten,
der an einem relativ zum ersten Bauteil beweglichen zweiten Bauteil
befestigt ist, zeigt 1.
Die dort dargestellte Sensorzeile 1 weist mehrere lineare
Hallsensoren 2a, 2b und 2c auf, die in
einem Sensorabstand d zueinander auf der Sensorzeile befestigt sind.
Die Sensorzeile 1 ist an einem (nicht dargestellten) ersten
Bauteil angebracht.
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Über
der Sensorzeile 1 bewegt sich in Längsrichtung x ein Permanentmagnet 3.
Der Permanentmagnet 3 ist an einem (nicht dargestellten) zweiten
Bauteil befestigt, das sich gegenüber dem ersten Bauteil in Längsrichtung
x verschiebt. Zwischen Permanentmagnet 3 und der Sensorzeile 1 befindet
sich ein Luftspalt h, dessen Abmessung bauteiletoleranz- und temperaturabhängig ist.
Der Permanentmagnet 3 ist mit seiner Magnetisierungsachse zwischen
Nordpol N und Südpol
S parallel zur Längsrichtung
x ausgerichtet, kann aber je nach Messaufgabe auch anders liegen.
Jeder Hallsensor 2a bis 2c misst das Magnetfeld
des Permanentmagneten 3.
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In 1 ist
eine Sensorzeile 1 mit mehreren Hallsensoren 2a bis 2c dargestellt.
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Das von jedem Hallsensor 2a bis 2c abgegebene
Sensorsignal S ist in 2 in
einer Kurvenschar 4 dargestellt. Das Signal S ist in 2 als Funktion der Längsrichtung
x aufgetragen und von einem Sensor gewonnen, der eine Spannung zwischen
0 und 5 Volt abgibt.
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Die Kurvenschar 4 enthält verschiedene Sensorsignale
S, wobei der Luftspalt h der Scharparamenter ist.
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Wie man sieht, weist jedes Sensorsignal
S der Kurvenschar 4 einen Maximalwert 6 sowie
einen Minimalwert 7 auf. Zwischen Maximalwert 6 und
Minimalwert 7 liegt ein Halbpegel B. Dieser Halbpegel 8 wird
dann eingenommen, wenn der Permanentmagnet 3 genau mittig über dem
Hallsensor 2 liegt. Die Amplitude zwischen Maximalwert 6 und
Minimalwert 7 hängt
von der Größe des Luftspaltes
h ab. Sie nimmt von einem Luftspalt h = 10 mm, dem flachsten Sensorsignal
S der Kurvenschar 4, bis h = 3 mm, den am steilsten verlaufenden
Sensorsignal S der Kurvenschar 4, zu. Alle Kurvenscharen
haben jedoch den Maximalwert 6 und den Minimalwert 7 sowie
den Halbpegel 8 in Längsrichtung
x am selben Ort.
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Die Kurvenscharen 4a und 4b der
zwei Hallsensoren 2a und 2b bei verschiedenen
Größen des Luftspalts
h, also verschiedenen Abständen
des Permanentmagneten 3 von den Hallsensoren 2a bis 2c, zeigt 3. Dabei ist der Abstand
d der Hallsensoren so gewählt,
dass die Kurvenschar 4a des Hallsensors 2a den
Maximalwert 6 jeweils genau dann zeigt, wenn das vom Hallsensor 2b abgegebene
Signal genau Halbpegel hat.
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4 verdeutlicht
die Verhältnisse
bei drei Sensoren 2a bis 2c für einen konstanten Wert des Luftspalts
h. Die Maximalwerte 6a bis 6c weisen wie die Minimalwerte 7a bis 7c und
die Halbpegel 8a bis 8c voneinander einen konstanten
Abstand entsprechend dem Abstand d der Sensoren 2a bis 2c auf. Der
Abstand d der Hallsensoren 2a bis 2c ist so, dass der
Hallsensor 2a einen Maximalwert 6a abgibt, wenn
die Kurve 4b des folgenden Hallsensors 2b den Halbpegel 8b erreicht,
und deren Maximalwert 6b in Längsrichtung x ihrerseits mit
dem Halbpegel 8c der Kurve 4c des Hallsensors 2c zusammenfällt.
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Der Luftspalt h ist für die Einbaujustierung des
Permanentmagneten 7 bezüglich
der Sensorzeile 1 ein kritisches Maß. Durch Temperatureinflüsse ändert sich
jedoch der Luftspalt h. Darüber
hinaus ergibt sich eine weitere Abhängigkeit des Sensorsignals
S von der Koerzitivkraft des Permanentmagneten 3, welche
in der Regel ebenfalls temperaturabhängig ist. Deshalb wird zur
Auswertung der Quotient zweier Sensorsignale S, z.B. der Hallsensoren 2a und 2b bestimmt,
und davon der Arcus-Tangens
T als Abstandssignal berechnet.
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Mit diesem Abstandssignal ist eine
Größe gewonnen,
die eine Auswertung des Signals der Hallsensoren 2a und 2b erlaubt,
welche weitestgehend unabhängig
vom Luftspalt h und von etwaigen Temperatureinflüssen ist.
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Das Auswertesignal hat, wie die Auswertekurve
gab in 5 zeigt, einen
Arbeitsbereich a mit nahezu konstanter Steigung.
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Wird nun der Messbereich durch den
Einsatz von mehr als zwei Magentfeldsensoren erweitert, erhält man bei
vorbeschriebenem Abstand d der Sensoren 2 Auswertekurven 9ab und 9bc,
mit sich in Längsrichtung
x über
einen weiten Bereich überlappenden
Arbeitsbereichen a. Die Überlappung
wird in Form einer Hysterese beim Übergang zwischen den einzelnen
Kennlinien gab und 9bc der Kurven 4a, 4b und 4c der
einzelnen Hallsensoren 2a, 2b und 2c ausgenutzt.
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Die Hysterese entsteht dadurch, dass
bei in zunehmender Längsrichtung
x verlaufender Bewegung etwa ab der Mitte des Arbeitsbereiches a
der Auswertekurve gab auf die anschließende Auswertekurve 9bc gesprungen
wird. Bei einer gegenläufigen Bewegung
in abnehmender Längsrichtung
x wird etwa ab der Mitte des Arbeitsbereiches der jeweiligen Kennlinie
auf die nächste
Kennlinie gesprungen werden.
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Die im Bereich des Überlappens
der Auswertekurven gab, 9bc ausgeführte Hysterese erlaubt eine
eindeutige Zuordnung des Sensorsignals und vermeidet uneindeutige
Zuweisungen am Sprungpunkt.