DE102007002221A1

DE102007002221A1 - Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils und entsprechende Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung

Info

Publication number: DE102007002221A1
Application number: DE200710002221
Authority: DE
Inventors: Frank Vietzke; Andreas BÖCKSTIEGEL; Thorsten Daniel; Ulrich Dr. Wünsche
Original assignee: Paragon AG
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Um die Verstellbewegung eines verstellbaren Bauteils, z. B. eines Kupplungspedals, mittels einer Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils (2) besser erfassen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Wegsensoreinrichtung (1) zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) aufweist, die mit Abstand zueinander ortsfest im bzw. am Verstellbereich (5) des verstellbaren Bauteils oder mit dem verstellbaren Bauteil (2) längs des Verstellbereichs (5) bewegbar angeordnet sind, einen Magneten (6), der mit dem verstellbaren Bauteil (2) längs des Verstellbereichs (5) bewegbar oder ortsfest im bzw. am Verstellbereich (5) des verstellbaren Bauteils (2) angeordnet ist und dessen Magnetfeld mittels jedes der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) erfassbar ist, und eine Auswerteeinheit (9), mittels der die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) erfassbar und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils (2) charakteristischen, vorzugsweise elektrischen, Ausgangsignal verarbeitbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils, z. B. eines Kupplungspedals, und auf ein entsprechendes Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung bzw. entsprechenden Wegsensoreinrichtungen ergeben sich Ungenauigkeiten, die im Zuge der technologischen Weiterentwicklung als störend empfunden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils bzw. ein entsprechendes Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung eines verstellbaren Bauteils zur Verfügung zu stellen, mittels der bzw. mittels dem eine genauere Weg- und Positionserfassung möglich ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Wegsensoreinrichtung durch zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren gelöst, die mit Abstand zueinander ortsfest im bzw. am Verstellbereich des ver stellbaren Bauteils oder mit dem verstellbaren Bauteil längs des Verstellbereichs bewegbar angeordnet sind, wobei zu der Lösung ein Magnet gehört, der mit dem verstellbaren Bauteil längs des Verstellbereichs bewegbar oder ortsfest im bzw. am Verstellbereich des verstellbaren Bauteils angeordnet ist und dessen Magnetfeld mittels jedes der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren erfassbar ist, wobei eine Auswerteeinheit mittels der die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren erfassbar und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitbar sind, vorgesehen ist. Die verfahrenstechnische Lösung besteht drin, dass mit dem verstellbaren Bauteil ein Magnet entlang dem Verstellbereich des Bauteils bewegt wird, mittels zumindest zweier ortsfester Hall-Effekt-Sensoren das Magnetfeld des Magneten über den Verstellbereich des verstellbaren Bauteils erfasst wird, und die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren erfasst und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitet werden, oder alternativ darin, dass mit dem verstellbaren Bauteil zwei Hall-Effekt-Sensoren entlang dem Verstellbereich des Bauteils bewegt werden, mittels der zumindest zwei mit dem verstellbaren Bauteil bewegten Hall-Effekt-Sensoren das Magnetfeld eines ortsfest im bzw. am Verstellbereich des Bauteils angeordneten Magneten erfasst wird, und die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren erfasst und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitet werden.
Die beiden Hall-Effekt-Sensoren sind vorzugsweise approximativ linear ausgelegt. Sie können zweckmäßigerweise in einem bestimmten Abstand zueinander im bzw. am Verstellbereich des verstellbaren Bauteils angeordnet werden, wobei ihr senkrechter Abstand zur durch den Verstellweg des verstellbaren Bauteils gebildeten Geraden gleich bemessen sein kann.
Das Ausgangssignal der die Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren auswertenden Auswerteeinheit ist vorteilhaft als pulsweitenmoduliertes (PWM-) Signal bzw. als pulsweitenmodulierter Signalwert ausgebildet.
Zur Auswertung der seitens der Hall-Effekt-Sensoren erzeugten Signalwerte werden vorteilhaft deren Phasenlagen verwendet.
Um die Möglichkeiten zur Auswertung der seitens der beiden Hall-Effekt-Sensoren zur Verfügung gestellten Signalwerte bzw. Rohsignalwerte zu erhöhen, können die Vektoren dieser Rohsignalwerte einer Koordinatentransformation unterzogen werden, wobei hierdurch der Nullpunkt einer durch die beiden Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren gebildeten Ortskurve verschoben werden kann.
Um die beiden Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren direkt auf einen Messwert abzubilden, kann vorteilhaft eine injektive Funktion verwendet werden, um die ggf. durch die Koordinatentransformation konditionierten Signalwerte zu bearbeiten und direkt auf einen gemeinsamen Messwert abzubilden.
Zur Bearbeitung bzw. Auswertung der ggf. konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren können eine Arcustangens-Funktion, eine Sinushyperbolicus-Funktion oder eine Polynom-Funktion eingesetzt werden.
Die Ausgabe des gemeinsamen Messwerts am Ausgang der Auswerteeinheit kann vorteilhaft stetig, monoton und linear ausgeführt sein.
Mit der erfindungsgemäßen Wegsensoreinrichtung bzw. dem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung kann die Problematik der Abweichungen der Signalwerte an Übergängen eliminiert werden, wobei zusätzlich positive Einflüsse auf eine Toleranzrechnung entstehen. Die erfindungsgemäße Wegsensoreinrichtung bzw. das entsprechende Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung ist weitestgehend unabhängig von Temperaturschwankungen, Alterung und Lebensdauer. Durch entsprechende Weiterverarbeitung können die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Wegsensoreinrichtung erzeugten Signalwerte auch zur Erfassung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils, wobei das verstellbare Bauteil als Kupplungspedal realisiert ist;
2 eine Darstellung der Signalwerte zweier Hall-Effekt-Sensoren;
3 eine Ortskurve über den von Ihnen aufgespannten Zustandsraum der Signalwerte der beiden Hall- Effekt-Sensoren;
4 eine Darstellung des Arcustangens des Winkels der in 3 dargestellten Ortskurve; und
5 eine Darstellung der Signalkette zwischen der Erfassung der Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren und der Ausgabe des als pulsweitenmodulierter (PWM-) Signalwert ausgebildeten Ausgangssignals.
Eine in 1 prinzipiell dargestellte Wegsensoreinrichtung 1 dient der Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kupplungspedal 2 ausgebildet ist. Durch eine Betätigung des Kupplungspedals 2 sowie durch eine entsprechende Entlastung des Kupplungspedals 2 wird ein gelenkig mit dem Kupplungspedal 2 verbundenes Stellglied 3 linear hin und her bewegt, wie dies durch den Doppelpfeil 4 angedeutet ist. Das Ausmaß eines Verstellbereichs 5 des Stellglieds 3 wird durch die mögliche Winkelverstellung des Kupplungspedals 2 vorgegeben.
Am Stellglied 3 ist ein Magnet 6 angebracht, der mit dem Stellglied 3 in Richtung des Doppelpfeils 4 über den Verstellbereich 5 des Kupplungspedals 2 bzw. des Stellglieds 3 bewegt wird. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind entlang dem Verstellbereich 5 zwei Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 angeordnet. Die beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 sind im gleichen Abstand zu dem Verstellweg des Stellglieds 3 und in einem vorgebbaren Abstand zueinander angeordnet. Sie sind ortsfest an einer außerdem eine Auswerteeinheit 9 halternden bzw. aufnehmenden Sensor- und Auswerteeinheit 10 angeordnet. Die Sensor- und Auswerteeinheit 10 wiederum ist ortsfest angeordnet.
Wenn das Kupplungspedal 2 und damit das Stellglied 3 verstellt wird, bewegt sich der Magnet 6 mit dem Stellglied 3 längs des Verstellweges durch den Versteilbereich 5. Damit bewegt sich der Magnet 6 in Bezug auf die beiden ortsfest angeordneten Hall-Effekt-Sensoren 7, 8. Mittels der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 ist das Magnetfeld des sich bewegenden Magneten 6 erfassbar.
Mittels der beiden zueinander in einer zum Verstellweg parallelen Richtung beabstandeten Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 werden jeweils ein Signalwert für das Magnetfeld des Magneten 6 erzeugt. Die beiden Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 haben über den Verstellweg des Stellglieds 3 bzw. des Magneten 6 einen unterschiedlichen Verlauf.
Die Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 werden an die Auswerteeinheit 9 weitergeleitet.
Die Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel approximativ linear ausgelegt.
Die Auswertung der Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 dient dazu, aus diesen beiden Signalwerten an einem elektrischen oder anders gestalteten Ausgang 11 der Sensor- und Auswerteeinheit 10 ein Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, das als pulsweitenmoduliertes (PWM-) Ausgangssignal ausgebildet ist und mittels dem diejenigen Informationen, die aufgrund des Betriebs der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 vorliegen, besser ausgenutzt werden können.
Bei Betrachtung der in 2 über einen Verstellbereich von 30 mm ermittelten Signalwert des Hall-Effekt-Sensors 7 und des Hall-Effekt-Sensors 8 ist ersichtlich, dass eine Auswertung der Phasenlage einen geeigneten Ansatz zur Auswertung der beiden Signalwerte bietet. Bei der in 2 gezeigten Darstellung ist der Verstellweg des Stellglieds 3 des Kupplungspedals 2 bzw. des Magneten 6 in mm angegeben, die Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren sind als digitalisierter Wert gezeigt.
Wenn die beiden Signalwerte des Hall-Effekt-Sensors 7 bzw. des Hall-Effekt-Sensors 8 gegeneinander aufgetragen werden, ergibt sich die in 3 gezeigte Darstellung, die eine Ortskurve über den von den beiden Signalwerten aufgespannten Zustandsraum zeigt.
Es ist ersichtlich, dass diese Ortskurve und damit die vorstehend bereits erwähnte Phasenlage eine eindeutige Zuordnung zum zugehörigen Weg ermöglichen. Um die Steigung an den Rändern der Ortskurve zu erhöhen und damit eine höhere Sensitivität zu erhalten, kann der Nullpunkt der Ortskurve verschoben werden. Dies bedeutet praktisch eine Addition oder Subtraktion von Konstanten auf die Rohwerte der Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 und damit eine Signalkonditionierung.
Um die Phasenlage auszuwerten, wird eine injektive Funktion eingesetzt, mittels der die beiden Signalwerte der beiden Hall-Effekt-Sensoren 7, 8 direkt auf einen Messwert abgebildet werden können.
Das naheliegendste Verfahren ist hierbei die Auswertung wie bei einer phasenverschobenen Sinusfunktion, wobei sich hier bei der Bearbeitung eine Arcustangens-Funktion anbietet.
Der Eingang für diese Arcustangens-Funktion ist dabei das Verhältnis der beiden wie vorstehend erwähnt konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren 7, 8. Aus diesen Signalwerten lässt sich mittels der Arcustangens-Funktion eine stetige und monotone Funktion berechnen, die ebenso eindeutig ist, wie dies aus 4 hervorgeht.
Da diese Arcustangens-Funktion noch keine lineare Abbildung des Verstellweges zeigt, wird sie zur Ausgabe eines pulsweitenmodulierten Signalwertes linear interpoliert.
Die beschriebene Signalkette ist in 5 noch einmal durchgängig dargestellt.

Claims

Wegsensoreinrichtung zur Erfassung des Weges bzw. der Position eines verstellbaren Bauteils (2), z. B. eines Kupplungspedals (2), gekennzeichnet durch zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8), die mit Abstand zueinander ortsfest im bzw. am Versteilbereich (5) des verstellbaren Bauteils (2) oder mit dem verstellbaren Bauteil (2) längs des Versteilbereichs (5) bewegbar angeordnet sind, einen Magneten (6), der mit dem verstellbaren Bauteil (2) längs des Verstellbereichs (5) bewegbar oder ortsfest im bzw. am Verstellbereich (5) des verstellbaren Bauteils (2) angeordnet ist und dessen Magnetfeld mittels jedes der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) erfassbar ist, und eine Auswerteeinheit (9), mittels der die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) erfassbar und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils (2) charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitbar sind.
Wegsensoreinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) approximativ linear ausgelegt sind.
Wegsensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) in einem bestimmten Abstand zueinander im bzw. am Verstellbereich des verstellbaren Bauteils (2) angeordnet sind.
Wegsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Ausgangssignal der Auswerteeinheit (9) als pulsweitenmodulierter (PWM-) Signalwert ausbildbar ist.
Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung eines verstellbaren Bauteils (2), z. B. eines Kupplungspedals (2), dadurch gekennzeichnet, dass mit dem verstellbaren Bauteil (2) ein Magnet (6) entlang dem Verstellbereich (5) des Bauteils (2) bewegt wird, mittels zumindest zweier ortsfester Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) das Magnetfeld des Magneten (6) über den Verstellbereich (5) des verstellbaren Bauteils (2) erfasst wird, und die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) erfasst und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils (2) charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitet werden.
Verfahren zur Weg- bzw. Positionserfassung eines verstellbaren Bauteils, z. B. eines Kupplungspedals, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem verstellbaren Bauteil zwei Hall-Effekt-Sensoren entlang dem Verstellbereich des Bauteils bewegt werden, mittels der zumindest zwei mit dem verstellbaren Bauteil bewegten Hall-Effekt-Sensoren das Magnetfeld eines ortsfest im bzw. am Verstellbereich des Bauteils angeordneten Magneten erfasst wird, und die Signalwerte der zumindest zwei Hall-Effekt-Sensoren erfasst und zu einem einzigen, für die Position des verstellbaren Bauteils charakteristischen, vorzugsweise elektrischen Ausgangssignal verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Ausgangssignal als PWM-Signalwert erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem zur Auswertung der Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) deren Phasenlage verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der Vektor der Rohsignalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) einer Koordinatentransformation unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die ggf. konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) mittels einer injektiven Funktion bearbeitet und direkt auf einen gemeinsamen Messwert abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Bearbeitung bzw. Auswertung der ggf. konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) eine Arcustangens-Funktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Bearbeitung bzw. Auswertung der ggf. konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) eine Sinushyperbolicus-Funktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Bearbeitung bzw. Auswertung der ggf. konditionierten Signalwerte der Hall-Effekt-Sensoren (7, 8) eine Polynom-Funktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Ausgabe des gemeinsamen Messwerts in der Auswertung stetig, monoton und linear ausgeführt wird.