DE102004043402A1

DE102004043402A1 - Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstandes und Positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE102004043402A1
Application number: DE200410043402
Authority: DE
Inventors: Rainer Hofmann; Uwe Dr. Hinrichsen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstands (3), insbesondere einer Getriebekomponente, durch Anordnen eines Magneten (2) an dem Gegenstand (3), Anordnen von mindestens zwei Hall-Sensoren (1) im Umfeld des Gegenstandes (3), lineares Bewegen des Gegenstandes (3) mit dem Magneten (2) an den Hall-Sensoren (1) vorbei, Erfassen der durch den Magneten (2) in den Hall-Sensoren (1) induzierten Spannungen und Bereitstellen eines den erfassten Spannungen entsprechenden Positionssignals bezüglich des Gegenstandes (3). Über eine hier beschriebene Quadraturdecodermethode lässt sich dem an den zwei Hall-Sensoren (1) erfasstem Spannungswertepaar dann schnell die dazugehörige Position des linear beweglichen Gegenstandes (3) zuordnen. Zusätzlich gewährleistet diese Methode noch eine gleichzeitige Kontrolle der Hall-Sensoren auf mögliche Defekte. DOLLAR A Darüber hinaus wird hier noch eine Positioniervorrichtung zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstandes (3) vorgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstands. Darüber hinaus wird eine Positioniervorrichtung umfassend einen beweglichen Gegenstand, einen an dem Gegenstand angeordneten Magneten, einen im Umfeld des Gegenstandes unbeweglich angeordneten ersten Hallsensor und einer Elektronikeinrichtung zur Erfassung der durch den Magneten im ersten Hall-Sensor induzierten Spannung und zur Ausgabe eines Positionssignals bezüglich des Gegenstandes in Abhängigkeit der ersten Spannung vorgestellt.

Über ein Magnetfeld kann in einem Hall-Sensor eine Spannung induziert werden. Wird beispielsweise ein Magnet im nahen Abstand an einem Hall-Sensor vorbei bewegt, so steigt oder sinkt die induzierte Spannung abhängig von dem Abstand des Magneten zu dem Hall-Sensor.

Ordnet man den Magneten an einem drehbaren Rad an, so ergibt sich während einer Umdrehung ein sinusförmiges Signal für das im Hall-Sensor induzierte Spannungssignal. Dieser Effekt lässt sich für eine Bestimmungen des Drehwinkels des Rades nutzen. Da die Sinusfunktion in einem Winkelbereich von 360° allerdings nicht streng monoton ist, ist es nicht möglich, jeder gemessenen Spannung genau einen Drehwinkel des Rades zuzuweisen. Eine genaue Positionierung des Rades ist damit nur für einen Bereich von höchstens 180° möglich.

Mit Vorrichtungen und Verfahren zur Vergrößerung des Positionierbereiches eines sich drehenden Gegenstandes durch die Verwendung eines zweiten Hall-Sensors beschäftigen sich auch die Druckschriften DE 195 48 385 A1 , DE 41 00 666 A1 , DE 44 22 868 A1 , DE 44 40 214 A1 , DE 101 22 277 A1 und DE 101 54 153 A1 . Auf eine Positioniervorrichtung oder ein Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstand gehen diese Druckschriften nicht ein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstandes zu finden. Darüber hinaus soll eine entsprechende Positioniervorrichtung entwickelt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstands gelöst, durch Anordnen eines Magneten an dem Gegenstand, Anordnen von mindestens zwei Hall-Sensoren im Umfeld des Gegenstandes, lineares Bewegen des Gegenstandes mit dem Magneten an den Hall-Sensoren vorbei, Erfassen der durch den Magneten in den Hall-Sensoren aufgrund des linearen Bewegens des Gegenstandes induzierten Spannungen und Bereitstellen eines den erfassten Spannungen entsprechenden Weg- bzw. Positionssignals bezüglich des Gegenstandes.

Darüber hinaus beschreibt die Erfindung eine Positioniervorrichtung umfassend einen beweglichen Gegenstand, einen an dem Gegenstand angeordneten Magneten, einen im Umfeld des Gegenstandes unbeweglich angeordneten ersten Hallsensor und eine Elektronikeinrichtung zur Erfassung einer durch den Magneten in dem ersten Hall-Sensor induzierten ersten Spannung und zur Ausgabe eines Weg- bzw. Positionssignals bezüglich des Gegenstandes in Abhängigkeit der ersten Spannung, wobei der Gegenstand linear beweglich ist, mindestens ein zweiter Hall-Sensor in einem Abstand zum ersten Hall-Sensor angeordnet ist, zur zusätzlichen Erfassung einer durch die Linearbewegung des am Gegenstand angeordneten Magneten in dem zweiten Hall-Sensoren induzierten zweiten Spannung und mit der Elektronikeinrichtung das Positionssignal in Abhängigkeit der ersten und zweiten Spannung, die jeweils aufgrund der Linearbewegung des Gegenstandes einschließlich des Magneten induziert sind, ausgebbar ist.

Damit ist es möglich auch für einen linear beweglichen Gegenstand, beispielsweise einem Getriebekomponenten, eine Erweiterung des Positionierbereiches, in welchem sich die Position des Gegenstandes eindeutig bestimmen lässt, durchzuführen. Ferner kann hierdurch ein sicheres und eindeutiges Signal für einen wesentlich größeren Weg erzeugt werden. Des Weiteren können Kosten für größere und teurere Sensoren eingespart werden.

Vorteilhafterweise kann das Positionieren des Gegenstandes für einen Abstandsbereich des Gegenstandes zu den Hall-Sensoren durchgeführt werden, in dem sich die an den Hall-Sensoren erfassten Spannungen als Sinus- oder Cosinus-Funktionen annähern lassen. Dies gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit bei dem Positionieren des Gegenstandes.

So ist es außerdem in vorteilhafter Weise mit der Erfindung möglich, einem an den Hall-Sensoren erfassten Spannungswertepaar direkt eine Position für den linear beweglichen Gegenstand zuzuweisen. Da über das hier vorgestellte Verfahren diese Zuweisung eindeutig ist, kann dem beweglichen Gegenstand auch eine eindeutige Position zugewiesen werden.

Erfindungsgemäß kann aber auch einem an den Hall-Sensoren erfassten Spannungswertepaar einen Zwischenwert, beispielsweise einen Winkel, zugewiesen werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich eine derartige Zuweisung schnell und verlässlich realisieren lässt.

Speziell kann die Zwischenwertzuweisung dadurch geschehen, dass einem an einem Hall-Sensor erfassten Spannungswert ein diesen Wert enthaltendes Spannungsintervall zugeordnet und mindestens einem an mindestens einem anderen Hall-Sensor erfassten Spannungswert ein anderes, diesen Wert enthaltendes Spannungsintervall zugeordnet wird. Eine derartige Vorgehensmethode ist leicht zu programmieren und schnell ausführbar.

Vorzugsweise kann dabei durch einen Vergleich der beiden Spannungsintervalle die verwendeten Hall-Sensoren auf möglicher Defekt überprüft werden. Dies ist für den Anwender deshalb von Nutzen, weil er dann auch sicher sein kann, dass die über das vorgestellte Verfahren bestimmte Position des beweglichen Gegenstandes nicht aufgrund eines auftretenden Defektes an einem der den Hall-Sensoren fehlerhaft ist.

Ebenso kann durch einen Vergleich der beiden Spannungsintervalle diesen einen Zwischenwert, beispielsweise einen Winkel zugeordnet werden. Auch dieser Ausführungsschritt lässt sich leicht programmieren und schnell durchführen.

Ein großer Vorteil der hier beschriebenen Vorgehensweise liegt darin, dass dem den Spannungswerten zugeordneten Zwischenwert, beispielsweise einem Winkel schnell und verlässlich eine Position des linear beweglichen Gegenstandes zugeordnet werden kann. Damit garantiert dieses Verfahren eine leichte und schnelle Auswertung der an den mindestens zwei Hall-Sensoren erfassten Spannungswerte und erlaubt gleichzeitig eine verlässliche Kontrolle der Hall-Sensoren auf das Auftreten möglicher Defekte.

In gleicher Weise können aber auch zusätzlich zu der hier schon geschilderten Vorgehensweise über den Vergleich der an den Hall-Sensoren erfassten Spannungswerte die Hall-Sensoren auf das Auftreten möglicher Defekte untersucht werden. Wird dabei für einen Hall-Sensor ein Spannungswert außerhalb seines funktionsgebundenen Wertebereichs festgestellt, so lässt sich der Hall-Sensor eindeutig als defekt erkennen. Über einen Verzicht auf das Auswerten der an diesem Hall-Sensor erfassten Spannungen kann man dann gezielt das Auftreten von Fehlern beim Positionieren des linear beweglichen Gegenstandes vermeiden.

Darüber hinaus kann die in den Hall-Sensoren induzierten Spannungen durch Anordnen von mindestens einem weiteren Magneten verstärkt werden. Der Abstandsbereich zwischen dem linear beweglichen Gegenstand und den Hall-Sensoren, in dem sich eine Position des Gegenstandes noch bestimmen lässt, kann dadurch noch einmal deutlich erweitert werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung;
2 zwei über die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ermittelte Spannungssignalkurven Ua und Ub;
3 die beiden Spannungssignalkurven Ua und Ub gegeneinander aufgetragen;
4 ein Quadraturdecoderbeispiel für die beiden gegeneinander aufgetragen Spannungssignalkurven Ua und Ub;
5 die beiden Spannungssignalkurven Ua und Ub gegeneinander aufgetragen mit einem noch akzeptierbaren Messabweichungsbereich; und
6 eine Positioniermöglichkeit für den linear beweglichen Gegenstand aus den Spannungswerten Ua bei Wegfall der Spannungswerte Ub.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
In 1 ist eine Positioniervorrichtung schematisch skizziert. Sie umfasst zwei Hall-Sensoren 1, einen Magneten 2 und einen linear beweglichen Gegenstand 3, beispielsweise eine Getriebekomponente. Der Pfeil 4 beschreibt dabei die Bewegungsrichtung des Gegenstandes 3. Die beiden Hall-Sensoren 1 sind so in der Umgebung des Magneten 2 angeordnet, dass ihre Position durch eine lineare Bewegung des Gegenstandes 3 nicht beeinflusst wird. Allerdings sollte der Abstand zwischen dem Magneten 2 und den einzelnen Hall-Sensoren 1 nicht zu groß sein, um die Induktion einer gut erfassbaren Spannung in den Hall-Sensoren 1 durch den Magneten 2 zu gewährleisten. Wird der Magnet 2 durch die Linearbewegung des Gegenstandes 3 aus dem Sensorbereich eines der beiden Hall-Sensoren 1 heraus befördert, so empfiehlt sich die Verwendung von mehr als zwei Hall-Sensoren 1 und/oder die Anordnung von mehr als einem Magneten 2 an dem linear bewegten Gegenstand in geeignetem Abstand zueinander.
Der Abstand der beiden Hall-Sensoren 1 zueinander sollte zur Optimierung der Positioniergenauigkeit so gewählt werden, dass bei einem geringen Steigungsbetrag eines Spannungssignals in einem der Hall-Sensoren 1 mindestens ein anderes Spannungssignal eines anderen Hall-Sensors 1 einen maximalen Steigungsbetrag aufweist. Bei Verwendung von zwei Hall-Sensoren 1 verhalten sich im Idealfall die beiden Spannungskurven zueinander wie Sinus und Cosinus. Analog verhält es sich auch bei Anordnung eines dritten oder vierten Hall-Sensors 1.
In 2 sind die Spannungskurven Ua und Ub zweier Hall-Sensoren 1 in Abhängigkeit zur Position des Gegenstandes 3 zu sehen. Dabei wurde der Abstand zwischen den beiden Hall-Sensoren 1 so gewählt, dass sich beide Kurven annähernd wie Sinus und Cosinus zueinander verhalten. Die beiden parallel zur Koordinatenachse der Spannung verlaufenden Linien umfassen den Bereich, in dem mindestens eine der beiden Kurven sich als Sinus- oder Cosinuskurve annähern lässt.
Für die Abstandsbereiche außerhalb der beiden Linien bietet sich als Auswertemethode die direkte Zuweisung einer Position des linear beweglichen Gegenstandes auf mindestens zwei an den Hall-Sensoren erfasste Spannungswerte an. Innerhalb des von den beiden Linien erfassten Bereiches bieten sich mehrere Möglichkeiten einer Positionszuordnung für den linear beweglichen Gegenstand 3. Zum einen ist es möglich, über ein gemessenes Spannungspaar dem Gegenstand 3 eine Position bzw. einen Weg direkt zuzuweisen.
3 verdeutlicht noch eine weiter Möglichkeit einer Positionszuordnung über die in zwei Hall-Sensoren 1 induzierten Spannungswerte. Dabei wurden die Spannungswerte Ua und Ub aus 2 zu einer Spannungskurve 5 gegeneinander aufgetragen. Wie man in 3 erkennen kann, lässt sich jedem Spannungswertepaar ein Winkel α von einem imaginären Mittelpunkt 6 und einer gedachten Anfangsachse 7 aus eindeutig zuordnen.
In 4 ist skizziert, wie sich diese Winkelzuordnung über ein als Quadraturdecoder oder Quadraturdemodulator bezeichnetes Verfahren schnell und verlässlich realisieren lässt. Dazu wurde das in 3 gezeigte Koordinatensystem mit der Kurve 5 aus den gegeneinander aufgetragenen Spannungswerten Ua und Ub mit einem Quadratnetz überzogen. Man spricht dabei auch von einem zweidimensionalen Kennfeld. Jedem der Quadrate, welche ein Teilstück der Kurve 5 aus den gegeneinander aufgetragenen Spannungswerten Ua und Ub enthalten, wurde dabei in 4 ein bestimmter Wert für den Winkel α zugeordnet. Wird die Seitenlänge für die einzelnen Quadrate des Quadratnetzes ausreichend klein gewählt, so ergibt sich aus diesem Verfahren eine gute Näherung für den Winkel α aus den gegeneinander aufgetragenen Spannungswerten Ua und Ub.
Eine schnelle Ausführungsweise für diese Quadraturdecodermethode sieht vor, dass man jeder an einem Hall-Sensor 1 erfassten Spannung das dazugehörige ausreichend kleine Spannungsintervall zuordnet. Lässt sich der an dem zweiten Hall-Sensor 1 erfasste Spannungswert einen dazu passenden Intervall zuordnen, so erhält man über die beiden Intervalle gegebenenfalls mit Interpolation auch den dazugehörigen Winkel α. Mit anderen Worten, die Ermittelung des Winkel α kann mit einem 2-dimensionalen Kennfeld und Interpolation durchgeführt werden. Über den Winkel α wiederum lässt sich leicht die Position bzw. der Weg des Magneten 2 und des linear beweglichen Gegenstandes 3 ermitteln.
Darüber hinaus erhält man durch die hier vorgestellte Quadraturdecodermethode auch ein Möglichkeit um die Plausibilität der an den Hall-Sensoren 1 erfassten Spannungswerte zu überprüfen. Diese Möglichkeit besteht darin, in dem Kennfeld außerhalb des sicheren Bereiches einen Wert für ungültig einzutragen. Die Interpolation findet dann nur statt, wenn alle Werte aus dem Kennfeld gültig sind, andernfalls sollte der ermittelte Wert auf ungültig gesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Plausibilität der Werte zu überprüfen, ist ein zweites Kennfeld. Mit diesem wird überprüft, ob die Kombination der beiden Spannungswerte in einem gültigen Bereich liegen. Ist dies nicht der Fall, so sollte der ermittelte Wert auf ungültig gesetzt werden. In 5 ist die Kurve 5 aus den gegeneinander aufgetragenen Spannungswerten Ua und Ub von 3 mit einer schraffierten Fläche 8 zu erkennen. Diese Fläche 8 skizziert einen Ungenauigkeitsbereich für die Messungen, innerhalb dessen sich die an den Hall-Sensoren erfassten Spannungswerte bewegen können, um noch eine verlässliche Positionsbestimmung für den linear beweglichen Gegenstand 3 zu ermöglichen. Das zweite Kennfeld für die Winkel oder Weginformation ist auch hier an allen Positionen mit Werten gefüllt. Befindet sich das an den Hall-Sensoren abgegriffene Spannungswertepaar innerhalb der Fläche 8, so kann den Werten eine Position für den linear beweglichen Gegenstand zugeordnet werde. Liegt das Spannungswertepaar hingegen außerhalb des gültigen Bereichs, so liegt ein Defekt an mindestens einem der beiden Hall-Sensoren 1 vor.
Wird dabei von einer der beiden Hall-Sensoreinrichtungen ein Spannungswert erfasst, der außerhalb des für diesen Hall-Sensor 1 gültigen Bereich liegt, so kann daraus geschlossen werden, dass der entsprechende Hall-Sensor 1 defekt ist. Dieser Hall-Sensor 1 sollte dann nicht weiter für das Positionieren eines linear beweglichen Gegenstand 3 verwendet werden. Die übrigen Hall-Sensoren 1 der Positioniervorrichtung können aber weiterhin für ein exaktes Positionieren eines linear beweglichen Gegenstand 3 verwendet werden.
Allerdings gelten dabei Einschränkungen gegenüber dem vorherigen Abstandbereich zwischen den Hall-Sensoren 1 und dem Magneten 2. In 6 ist dies skizziert. Dabei wird der Fall behandelt, dass für das Spannungswertepaar Ua und Ub aus 2 ein Defekt am für die Spannung Ub verantwortlichen Hall-Sensor 1 festgestellt wurde. Anstelle der Kurve aus den gegeneinander aufgetragenen Spannungswerten Ua und Ub aus 3 enthält man nun nur noch für Ua verlässliche Werte. Wie graphisch dargestellt wurde, lässt sich für einen Teilbereich 10 des Gesamtbereichs 9 der Spannungswerte Ua auch unter Nichtberücksichtigung der Werte von Ub jedem Spannungswert eine eindeutige Position des linear beweglichen Gegenstandes 3 zuordnen. Doch für bestimmte Spannungswerte in einem anderen Teilbereich 11 ist dies nicht möglich, da ihnen zwei Positionen des linear beweglichen Gegenstandes 3 zugeordnet werden können. Wird für Ua ein Spannungswert in diesem Spannungsbereich ermittelt, so kann nur noch festgestellt werden, das sich der linear bewegliche Gegenstand 3 innerhalb eines bestimmten Abstandsbereiches 12 zu den beiden Hall-Sensoren 1 befindet. Eine genauere Positionsbestimmung ist dann für einen Gegenstand 3 nicht möglich.

1: Hall-Sensor
2: Magnet
3: Linear beweglicher Gegenstand
4: Bewegungsrichtung des linear beweglicher Gegenstandes
5: Spannungskurve aus zwei gegeneinander aufgetragenen Spannungen (Ua, Ub)
6: Mittelpunkt der Spannungskurve 5
7: Imaginäre Anfangslinie der Spannungskurve 5
8: Messabweichungsbereich der Spannungskurve 5
9: Gesamtbereich der Spannungswerte Ua
10: Teilbereich von 9
11: Teilbereich von 9
12: Abstandsbereich

Claims

Verfahren zum Positionieren eines linear beweglichen Gegenstands (3), insbesondere einer Getriebekomponente, gekennzeichnet durch – Anordnen eines Magneten (2) an dem Gegenstand (3), – Anordnen von mindestens zwei Hall-Sensoren (1) im Umfeld des Gegenstandes (3), – lineares Bewegen des Gegenstandes (3) mit dem Magneten (2) an den Hall-Sensoren (1) vorbei – Erfassen der durch den Magneten (2) in den Hall-Sensoren (1) aufgrund des linearen Bewegens des Gegenstandes induzierten Spannungen und – Bereitstellen eines den erfassten Spannungen entsprechenden Positionssignals bezüglich des Gegenstandes (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Positionieren des Gegenstandes (3) für einen Abstandsbereich des Gegenstandes (3) zu den Hall-Sensoren (1) durchgeführt wird, in dem sich die an den Hall-Sensoren (1) erfassten Spannungen (Ua, Ub) als Sinus- oder Cosinus-Funktionen annähern lassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einem an den Hall-Sensoren (1) erfassten Spannungswertepaar direkt eine Position des linear beweglichen Gegenstandes (3) zugewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einem an den Hall-Sensoren (1) erfassten Spannungswertepaar einen Zwischenwert, beispielsweise einen Winkel, zugewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zwischenwertzuweisung dadurch geschieht, dass einem an einem Hall-Sensor erfassten Spannungswert ein diesen Wert enthaltendes Spannungsintervall zuordnet und einem an mindestens einem anderen Hall-Sensor erfassten Spannungswert ein anderes, diesen Wert enthaltendes Spannungsintervall zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei durch einen Vergleich der beiden Spannungsintervalle die verwendeten Hall-Sensoren auf mögliche Defekte überprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch einen Vergleich der beiden Spannungsintervalle diesen einen Zwischenwert, beispielsweise einen Winkel zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, wobei dem den Spannungswerten zugeordneten Zwischenwert, beispielsweise einem Winkel, eine Position des linear beweglichen Gegenstandes (3) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei über den Vergleich der an den Hall-Sensoren (1) erfassten Spannungswerte die Hall-Sensoren (1) auf mögliche Defekte untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in den Hall-Sensoren (1) induzierten Spannungen durch Anordnen von mindestens einem weiteren Magneten (2) verstärkt werden.
Positioniervorrichtung umfassend – einen beweglichen Gegenstand (3), – einen an dem Gegenstand (3) angeordneten Magneten (2), – einen im Umfeld des Gegenstandes (3) unbeweglich angeordneten ersten Hallsensor (1) und – eine Elektronikeinrichtung zur Erfassung einer durch den Magneten (2) in dem ersten Hall-Sensor (1) induzierten ersten Spannung (Ua) und zur Ausgabe eines Positionssignals bezüglich des Gegenstandes (3) in Abhängigkeit der ersten Spannung (Ua), dadurch gekennzeichnet, dass – der Gegenstand (3) linear beweglich ist, – mindestens ein zweiter Hall-Sensor (1) in einem Abstand zum ersten Hall-Sensor (1) angeordnet ist, zur zusätzlichen Erfassung einer durch die Linearbewegung des am Gegenstand (3) angeordneten Magneten (2) in dem zweiten Hall-Sensoren (1) induzierten zweiten Spannung (Ua, Ub) und – mit der Elektronikeinrichtung das Positionssignal in Abhängigkeit der ersten und zweiten Spannung (Ua, Ub), die jeweils aufgrund der Linearbewegung des Gegenstandes (3) einschließlich des Magneten (2) induziert sind, ausgebbar ist.