DE102007054712A1

DE102007054712A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sensor-Einrichtung relativ zu einem Magneten

Info

Publication number: DE102007054712A1
Application number: DE200710054712
Authority: DE
Inventors: Thomas Kerdraon; Manfred Busch; Peter Cisar
Original assignee: SSG SEMICONDUCTOR SYSTEMS GmbH
Current assignee: SSG SEMICONDUCTOR SYSTEMS GmbH
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Es werden eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sensor-Einrichtung relativ zu einem Magneten vorgeschlagen. Dabei ist die Messvorrichtung mit einem Magneten und mit einer Sensor-Einrichtung ausgestattet, welche mindestens eine Hall-Sonde und einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten stromdurchflossenen Leiter aufweist. Die Sensor-Einrichtung und der Magnet sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Durch den stromdurchflossenen Leiter wird ein sich über der Zeit mit einer vorgegebenen Periode verändernder Strom geleitet. Anschließend werden der Magnet und die Sensor-Einrichtung relativ zueinander ausgerichtet. Die Hall-Spannung der Hall-Sonde wird bestimmt und aus dieser die relative Position von Sensor-Einrichtung und Magnet berechnet. Schließlich wird die Hall-Spannung zusätzlich zu Diagnosezwecken ausgewertet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung und einem Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sensor-Einrichtung zu einem Magneten nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Zur Bestimmung der Position eines drehbar oder verschiebbar gelagerten Bauteils werden häufig Potentiometer eingesetzt. Dabei wird die Beziehung zwischen der Länge eines Draht- oder Schichtwiderstandes und seinem Widerstandswert ausgenutzt. Als nachteilig erweist sich hierbei die durch den Schleifkontakt verursachte Abnutzung und der damit verbundene Verschleiß des Potentiometers. Zur Vermeidung dieses Nachteils werden daher berührungsfreie Sensoren wie beispielsweise magnetische Sensoren eingesetzt. Hierzu zählen Hall-Sensoren und magnetoresistive Sensoren. Durch eine geeignete Flussführung des Magnetfeldes bei Hall-Sensoren kann eine lineare Beziehung zwischen einem Winkel und einem Ausgangssignal des Hall-Sensors erreicht werden. Dies ermöglicht die eindeutige Zuordnung zwischen einem Ausgangssignal und der zugehörigen Position des Bauteils. Als nachteilig erweist sich bei den magnetischen Sensoren, dass Temperatureinflüsse und unerwünschten variable Abstände mit entsprechenden Toleranzen zu ungenauen Messergebnissen und Messfehlern führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung zur Verfügung zu stellen, die die Überprüfung des Messergebnisses auf das Vorliegen möglicher Messfehler erlauben.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen hat die erfindungsgemäße Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass sie mit einer Sensor-Einrichtung und einem Magneten ausgestattet ist, welche relativ zueinander beweglich angeordnet sind, wobei die Sensor-Einrichtung mindestens eine Hall-Sonde und einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Stromdurchflossenen Leiter aufweist. Dabei erzeugt der Stromdurchflossene Leiter ebenfalls ein Magnetfeld. Die mindestens eine Hall-Sonde befindet sich damit in einem resultierenden Magnetfeld, welches aus der Überlagerung des Magnetfelds des Magneten und des Magnetfelds des Stromdurchflossenen Leiters resultiert. Die Hall-Spannung des Hall-Sensors wird dabei von den beiden Magnetfeldern beeinflusst. Die Hall-Spannung wird auch als Ausgangsspannung oder als Signal bezeichnet. Werden die Sensor-Einrichtung und der Magnet relativ zueinander bewegt, so ändert sich die Feldstärke des Magnetfeldes des Magneten am Ort der Hall-Sonde. Entsprechende Änderungen der Feldstärke des Magnetfeldes sind daher in der Hall-Spannung der Hall-Sonde erkennbar. Ferner ändert sich die Feldstärke des Magnetfeldes am Ort der Hall-Sonde, wenn sich der Strom des Stromdurchflossenen Leiters ändert. Hierzu eignet sich beispielsweise ein gepulster Strom oder ein sonstiger, über der Zeit variabler Strom mit einer bestimmten Frequenz beziehungsweise einer bestimmten Periode. Zeitliche Änderungen des Stroms des Stromdurchflossenen Leiters sind damit ebenfalls im Ausgangssignal der Hall-Sonde erkennbar. Dabei ist darauf zu achten, dass die Periodenlänge des Stroms des Stromdurchflossenen Leiters wesentlich kürzer ist als die Zeit, innerhalb der sich die Feldstärke des Magnetfeldes am Ort der Hall-Sonde bei einer Relativbewegung zwischen der Sensor-Einrichtung und dem Magneten ändert. Dadurch wird gewährleistet, dass die beiden Effekte im Ausgangssignal der Hall-Sonde getrennt voneinander ausgewertet werden können.
Eine Veränderung des Ausgangssignals des Hall-Sensors, welche auf einer Temperaturänderung oder einer mechanischen Verspannung der Hall-Sonde beim Einbau der Sensor-Einrichtung beruhen, sind in dem Anteil des Ausgangssignals des Hall-Sensors erkennbar, der durch den Stromdurchflossenen Leiter beeinflusst wird. Derartige Einflüsse wirken sich auf die Amplitude oder die Nulllinie des Ausgangssignals aus. Da der Effekt am Ausgangssignal erkennbar ist, kann er durch geeignete Verstärkung kompensiert werden. Hierzu ist gegebenenfalls eine Vergleichsmessung ohne Magnet und unter reproduzierbaren Randbedingungen durchzuführen. Die dabei ermittelten Daten dienen als Referenzdaten.
Bei dem Magneten kann es sich um einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten handeln.
Nach einer Vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensor-Einrichtung und der Magnet relativ zueinander drehbar angeordnet. Dabei kann beispielsweise die Sensor-Einrichtung ortsfest angeordnet sein und der Magnet relativ zur Sensor-Einrichtung gedreht werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Magneten ortsfest anzuordnen und die Sensor-Einrichtung relativ zum Magneten zu drehen. In beiden Fällen ändert sich bei einer Drehbewegung die Feldstärke des Magnetfeldes am Ort der Hall-Sonde in der Sensor-Einrichtung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensor-Einrichtung und der Magnet relativ zueinander verschiebbar angeordnet. Auch in diesem Fall kann entweder die Sensor-Einrichtung oder der Magnet ortsfest und das jeweils andere Teil verschiebbar angeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sensoreinrichtung relativ zu einem Magneten mit den Merkmalen des Anspruchs 4 zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Stromdurchflossenen Leiter der Sensor-Einrichtung ein über der Zeit mit einer vorgegebenen Periode verändernder Strom geleitet wird. Anschließend werden der Magnet und die Sensor-Einrichtung relativ zueinander ausgerichtet. Schließlich wird die Hall-Spannung der Hall-Sonde gemessen, beziehungsweise bestimmt. Aus der Hall-Spannung wird die relative Position von Sensor-Einrichtung und Magnet berechnet. Darüber hinaus wird die Hall-Spannung zu Diagnosezwecken ausgewertet. Um Referenzdaten zu erhalten, kann die Hall-Spannung der Hall-Sonde zunächst ohne Magnet und unter reproduzierbaren Randbedingungen gemessen werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Randbedingungen nicht zu einem Messfehler oder zu Messungenauigkeiten führen. Ein Vergleich der Hallspannung im Messverfahren mit den Referenzdaten ermöglicht eine Diagnose des Messergebnisses. Außerdem können bestimmte Korrekturen vorgenommen werden um Verfälschungen des Messergebnisses auszugleichen. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit der Sensor-Einheit gegenüber Temperaturschwankungen kompensiert und ausgeglichen werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Amplitude der Hall-Spannung bestimmt und ausgewertet. Dabei handelt es sich insbesondere um die Amplitude der Hall-Spannung, welche aus dem Einfluss des Stromdurchflossenen Leiters resultiert. Ein Vergleich der Amplitude mit der Amplitude einer Referenzkurve ermöglicht eine Aussage über die Hall-Spannung beeinflussende unerwünschte Effekte.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt. Es zeigen:
1 Schaltbild einer Sensor-Einrichtung,
2 Sensor-Einrichtung und Magnet,
3 Spannungsverlauf des Stromdurchflossenen Leiters und der Hall-Spannung im Vergleich.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt den Schaltplan einer Sensor-Einrichtung 1 einer Messvorrichtung. Die Sensor-Einrichtung weist eine Hall-Sonde 2 und einen von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Stromdurchflossenen Leiter 3 auf. Der Stromdurchflossene Leiter wird an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen, welche für einen in 3 dargestellten gepulsten Spannungs- beziehungsweise Stromverlauf sorgt. Die Hall-Sonde 2 wird ebenfalls von einem Versorgungsstrom durchflossen. Die beweglichen Ladungsträger in der Hall-Sonde 2 erfahren aufgrund des Magnetfelds des Stromdurchflossenen Leiters 3 und aufgrund des Magnetfelds eines in 2 dargestellten Permanentmagneten 4 eine Lorentzkraft. Diese führt zu einer Hall-Spannung, welche auch als Ausgangsspannung oder Ausgangssignal der Hall-Sonde 2 bezeichnet wird. Sie wird ausgelesen und ausgewertet.
In 2 ist der schematische Aufbau einer Messvorrichtung mit einer Sensor-Einrichtung 1 und einem Permanentmagneten 4 dargestellt. Die gesamte Sensor-Einrichtung befindet sich im Magnetfeld des Permanentmagneten 4. Der Permanentmagnet 4 weist eine diametrale Magnetisierung auf und ist drehbar angeordnet. Die Sensor-Einrichtung 1 ist ortsfest angeordnet und durch einen Luftspalt von dem Permanentmagnet getrennt.
3 zeigt den Spannungsverlauf des Stromdurchflossenen Leiters und der Hall-Sonde. Dabei ist auf der Hochachse die Spannung und auf der Längsachse die Zeit aufgetragen. Die Kurve 5 stellt dabei den zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung am Stromdurchflossenen Leiter 3 dar. Kurve 6 stellt den zeitlichen Verlauf der Hall-Spannung der Hall-Sonde 2 dar, wenn sich die Hall-Sonde nicht im Magnetfeld des Permanentmagneten 4 befindet. Der Vergleich von Kurve 5 und Kurve 6 zeigt, dass die Spannungspulse des Stromdurchflossenen Leiters 3 in der Hall-Spannung klar erkennbar sind. Kurve 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Hall-Spannung der Hall-Sonde 2, wenn sich diese im Magnetfeld der Permanentmagneten 4 befindet und der Permanentmagnet gedreht wird. Die Frequenz der Drehbewegung ist damit wesentlich geringer als die Frequenz der gepulsten Spannung des Stromdurchflossenen Leiters 3. Der Einfluss der Drehbewegung des Permanentmagneten führt zu einem zumindest näherungsweise sinusförmigen Verlauf der Hall-Spannung. Diesen sinusförmigen Verlauf sind die Pulse überlagert, welche aus dem Stromdurchflossenen Leiters resultieren. Die Effekte des Magnetfelds des Permanentmagneten und des Magnetfelds des Stromdurchflossenen Leiters sind damit in der Hall-Spannung der Hall-Sonde klar erkennbar und voneinander trennbar. Die Kurve 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Hall-Spannung gemäß Kurve 7, wobei diese unter Verwendung eines Hochpassfilters gemessen wird.
Sämtliche Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1: Sensor-Einrichtung
2: Hall-Sonde
3: Stromdurchflossener Leiter
4: Permanentmagnet
5: zeitlicher Verlauf der gepulsten Spannung der Stromdurchflossenen Leiters
6: zeitlicher Verlauf der Hall-Spannung ohne das Magnetfeld eines Permanentmagneten
7: zeitlicher Verlauf der Hall-Spannung mit Parmanetmagnet
8: zeitlicher Verlauf der Hall-Spannung gemäß Ziffer 7 unter Verwendung eines Hochpassfilters

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung der Position einer Sensor-Einrichtung relativ zu einem Magneten mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Magneten (4), mit einer Sensor-Einrichtung (1) mit mindestens einer Hall-Sonde (2) und einem von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Stromdurchflossenen Leiter (3), wobei die Sensor-Einrichtung (1) und der Magnet (4) relativ zueinander beweglich angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einrichtung (1) und der Magnet (4) relativ zueinander drehbar angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einrichtung (1) und der Magnet (4) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung der Position einer Sensor-Einrichtung relativ zu einem Magneten, wobei die Sensor-Einrichtung (1) mit mindestens einer Hall-Sonde (2) und einem von der Hall-Sonde galvanisch getrennten Stromdurchflossenen Leiter (3) ausgestattet ist, unter Verwendung einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: dass durch den Stromdurchflossenen Leiter (3) ein sich über der Zeit mit einer vorgegebenen Periode verändernder Strom geleitet wird, dass die Hall-Sonde (2) von einem Strom durchflossen wird, dass der Magnet (4) und die Sensor-Einrichtung (1) relativ zueinander ausgerichtet werden, dass die Hall-Spannung der Hall-Sonde (2) bestimmt wird, dass die relative Position aus der Hall-Spannung (2) berechnet wird, dass die Hall-Spannung zusätzlich zu Diagnosezwecken ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Hall-Spannung bestimmt und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stromdurchflossenen Leiter (3) ein gepulster Strom geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pulse der Hall-Spannung bestimmt wird.