DE10236889A1

DE10236889A1 - Hoch auflösender Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10236889A1
Application number: DE2002136889
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Wu
Original assignee: Valeo Motoren und Aktuatoren GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-02-26
Also published as: WO2004020954A1; AU2003266958A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hoch auflösenden Drehwinkelsensor für einen Rotor, mit einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Impulsgeber und mehreren ortsfesten, mit dem Impulsgeber zusammenwirkenden Sensoren, wobei jeder Impuls des Impulsgebers eine bestimmte Impulslänge aufweist und jedem Impuls mehrere Sensoren zugeordnet sind, wobei die Anzahl der Sensoren X = 4N beträgt und N >= 1 ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen hoch auflösenden Drehwinkelsensor für einen Rotor, mit einem drehfest mit dem Rotor verbundenen Impulsgeber und mehreren ortsfesten, mit dem Impulsgeber zusammenwirkenden Sensoren, wobei jeder Impuls des Impulsgebers eine bestimmte Impulslänge aufweist und jedem Impuls mehrere Sensoren zugeordnet sind.

Derartige Drehwinkelsensoren sind im Allgemeinen bekannt und werden dazu verwendet, um eine Drehwinkelstellung, die Drehgeschwindigkeit oder eine Drehwinkelbeschleunigung zu erfassen. Insbesondere bei Industriemotoren und im Automobilbereich werden derartige Drehwinkelsensoren verwendet.

Es sind optische Systeme bekannt, die eine Leuchtdiode (LED) und optische Transistoren bzw. lichtempfindliche Elemente aufweisen, sowie mit Blenden und einer transparenten Scheibe mit einem Strichcode versehen sind. Ein derartiges System arbeitet sehr genau und besitzt eine große Auflösung, jedoch ist die Lebensdauer von Leuchtdioden in der Regel gering. Die maximale Betriebstemperatur liegt bei 85°C und das System ist schlagempfindlich. Das System ist daher nicht geeignet, bei Fahrzeugen eingesetzt zu werden, bei denen die Betriebstemperatur über 150°C liegen kann und bei dem das System Beschleunigungen von 30g ausgesetzt ist.

Ferner sind Resolver bekannt, die einen speziellen Motor, Resolver genannt, aufweisen und mit einer Signalauswerteschaltung versehen sind. Die Ausgangssignale dieses Resolvers sind zweiphasige Analogsignale, wobei die Amplitude einer Sinus-/Kosinus-Funktion folgt, die den Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator darstellt. Das Ziel der Signalauswerteschaltung ist, das analoge Sinus-/Kosinus-Signal in ein digitales Winkelsignal umzuformen. Ein derartiges System ist hoch präzise und kann auch unter widrigen Bedingungen verwendet werden. Jedoch ist die Baugröße eines derartigen Systems für viele Anwendungszwecke zu groß, insbesondere dann, wenn nur beschränkter Bauraum zur Verfügung steht. Ferner sind die Kosten eines derartigen Systems sehr hoch und werden in der Regel für die zivile Anwendung nicht akzeptiert.

Außerdem sind magnetische Impulsgeber bekannt, die einen Magnetring, einen Sensor und eine Signalauswerteschaltung aufweisen. Der Magnetring besitzt in der Regel mehrere Polpaare, die jeweils gleiche Pollängen aufweisen. Das System kann auch unter widrigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, da es widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen, gegen Schlageinwirkung und unempfindlich gegen Verschmutzung ist. Außerdem besitzt dieses System eine hohe Lebensdauer und ist sehr zuverlässig. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass der Raum auf dem Magnetring lediglich für eine begrenzte Anzahl von Polpaaren ausreichend ist, so dass die maximale Auflösung der Winkelposition gering ist.

Aus der US 4,369,405 ist eine Vorrichtung zum Erkennen der Drehlage einer Scheibe bekannt. Die Scheibe ist an ihrem Umfang mit Magnetpolen versehen und diesen Magnetpolen stehen ortsfeste Sensoren gegenüber, die mit zwei magnetosensitiven Elementen bestückt sind. Die Auflösung einer solchen Anordnung ist sehr gering. Aus der US 4,599,561 ist Vorrichtung zum Erfassen der relativen und absoluten Position eines sich bewegenden Gegenstandes bekannt. Hierfür wird eine Scheibe verwendet, die in Umfangsrichtung und in radialer Richtung eine Vielzahl von Polpaaren aufweist, wodurch die Auflösung erhöht werden soll. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist sehr kompliziert und erfordert viel Platz. Aus der US 5,089,060 und der US 5,283,130 ist ein Magnetring bekannt, über dessen Umfang Magnetpole verteilt sind. Diesen Magnetpolen sind Sensoren zugeordnet, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die Auflösung kann mit einer solchen Anordnung nicht erhöht werden. Aus der US 5,568,048 ist ein Magnetring mit einer Vielzahl von Polpaaren bekannt, denen drei Sensoren zugeordnet sind, die in Umfangrichtung nebeneinander liegen. Dabei liegen immer die beiden äußeren Sensoren zwei nebeneinander liegenden Polen gegenüber. Die Auflösung einer solchen Anordnung ist gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor bereitzustellen, der hoch auflösend ist, der auch unter widrigen Einsatzbedingungen verwendet werden kann, der einen geringen Bauraum aufweist, dessen Lebensdauer hoch ist und der zudem noch preiswert ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Drehwinkelsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anzahl der Sensoren X = 4N beträgt, wobei N > 1 ist.

Der Hauptgedanke der Erfindung besteht darin, die Auflösung des Systems, d.h. die Anzahl der vom System abgegebenen Impulse pro Umdrehung des magnetischen Impulsgebers, durch ein oder mehrere Gruppen von jeweils 4 Sensoren zu erhöhen. Werden mehrere Sensoren verwendet, dann können die Ausgangssignale dieser Sensoren vorteilhaft so verschaltet werden, dass dadurch eine höhere Auflösung erzeugt werden kann.

Bevorzugt weisen die Sensoren einen Winkelabstand von 45°/N auf. Dies bedeutet, dass über den Umfang wenigstens vier Sensoren angeordnet sind, die die Drehstellung des Rotors erfassen.

Bevorzugt sind die Sensoren in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet. Dabei können vorteilhaft die Sensoren einen gleichen Abstand zueinander aufweisen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass auch Geschwindigkeitsänderungen relativ leicht erfasst werden können.

Um die Schaltungstechnik zu vereinfachen werden bevorzugt digitale Sensoren verwendet. Digitale Ausgangswerte können wesentlich einfacher weiterverarbeitet, insbesondere miteinander verknüpft werden.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoren symmetrische Schaltpunkte besitzen. Dadurch wird die Genauigkeit des Systems weiter erhöht.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Impulslängen des Impulsgebers stets gleich lang. Insbesondere sind beim Magnetring die Pollängen gleich lang und gleichmäßig über den Umfang verteilt.

Bevorzugt entspricht die Impulslänge der von den Sensoren überdeckten Strecke. Dies bedeutet, dass der Rotor Stellungen einnehmen kann, bei denen alle Sensoren gleichzeitig geschaltet oder nicht geschaltet sind.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ausgangssignale der Sensoren den Ausgangssignalen herkömmlicher optischer oder magnetischer Encoder entsprechen, nämlich um 90° phasenverschobene Rechteckimpulse mit einem Indeximpuls. Derartige Signale sind problemlos weiterverarbeitbar bzw. in andere Systeme integrierbar.

Bevorzugt ist der Drehwinkelsensor der an ein herkömmliches Standardencoderinterface anschließbar. Der Schaltungs- und Umrüstungsaufwand wird auf diese Weise auf ein Minimum reduziert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines mit mehreren Polen versehenen Magneten mit über eine Pollänge sich erstreckenden Anzahl mehrerer Sensoren;
2 zwei perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform mit in radialer Richtung angeordneter Sensoren;
3 zwei perspektivische Ansichten einer Ausführungsform mit in axialer Richtung angeordneten Sensoren;
4 Ausgangssignale einzelner Sensoren sowie diverse Verknüpfungen dieser. Signale; und
5 ein Schaltdiagramm, die Verknüpfung von 16 Sensoren zeigend.
In der 1 sind schematisch drei Pole 30, 32 und 34 dargestellt, wobei die Pole 30 und 34 jeweils einen Südpol und der Pol 32 einen Nordpol darstellt. Über die Pollänge 36 des Nordpols erstrecken sich insgesamt 16 Sensoren S1 bis S16, die dicht gepackt nebeneinander, d.h. in Umfangsrichtung des die Pole 30 bis 34 aufweisenden Magneten 18, wie in 2 dargestellt, angeordnet sind.
Beim in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Magnet 18 als Ringmagnet ausgebildet und wird von einem Rotor 20, er um eine Achse 22 umläuft, getragen. Die Sensoren S1 bis S16 befinden sich dabei in Umfangsrichtung radial gegenüber dem Magneten 18.
Beim in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Sensoren S1 bis S16 ebenfalls in unmittelbarer Nachbarschaft zum Magneten 18, jedoch in axialer Anordnung.
Werden der Magnet 18 und die Sensoren S1 bis S16 relativ zueinander bewegt, z.B, indem der Magnet gedreht wird, dann erzeugen die Sensoren S1 bis S16 ein Sensorsignal 1 bis 16, welches in der 4 dargestellt ist. Der Sensor S1 erzeugt somit das Signal 1 und der Sensor S16 erzeugt das Signal 16. Das Signal ist eine Rechteckkurve, die symmetrisch aufgebaut ist, was bedeutet, dass das Signal aus einem Ruheabschnitt 24 und einem Arbeitsabschnitt 26 besteht, welche gleich lang sind. Dies ist deutlich beim Signal 16 zu erkennen.
Werden nun die 16 Sensoren S1 bis S16 entsprechend der nachfolgenden Logik miteinander verknüpft, dann ergeben sich hieraus die Signale a bis h. Die logische Verknüpfung lautet wie folgt:
S1 XOR S3 ergibt das Signal a;
S5 XOR S7 ergibt das Signal b;
S9 XOR S11 ergibt das Signal c;
S13 XOR S15 ergibt das Signal d;
S2 XOR S4 ergibt das Signal e;
S6 XOR S8 ergibt das Signal f;
S10 XOR S12 ergibt das Signal g;
S14 XOR S16 ergibt das Signal h.
Nunmehr werden die Signale a bis h logisch miteinander wie folgt verknüpft:
a OR b OR c OR d ergibt das Signal A;
e OR f OR g OR h ergibt das Signal B.
Diese Signale A und B sind ebenfalls in 4 dargestellt. Auch diese Signale A und B besitzen eine Rechteckform und weisen einen Ruheabschnitt 38 und einen Arbeitsabschnitt 40 auf, die gleich lang sind. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B beträgt 90°. Die Frequenz der Signale A und B ist jeweils proportional zur Drehzahl des Rotors 20.
Die Sensoren S1 und S3 sind außerdem wie folgt miteinander verknüpft:
NOT S3 AND S1 ergibt das Signal Z.
Dieses Signal Z wird als Indeximpuls verwendet.
Aus dem Obigen ergibt sich, dass dieses System mit 16 Sensoren S1 bis S16 eine Auflösung besitzt, die 8-mal größer ist als die Auflösung eines Systems mit lediglich zwei Sensoren.
Allgemein kann gesagt werden, dass bei der Verwendung von 4N-Sensoren mit symmetrischen Schaltpunkten die Auflösung verbessert werden kann, indem alle Sensoren in Reihe hintereinander angeordnet werden und alle Sensoren den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Die Gesamtlänge der hintereinander angeordneten Sensoren entspricht der Pollänge oder einem Vielfachen dieser Pollänge. Der Winkelversatz der einzelnen Sensoren entspricht dabei 180°/4N, also 45°/N.
Mit der Verwendung einer digitalen Logik kann eine um 2N höhere Auflösung erzielt werden, als bei Systemen mit normal geschalteten Sensoren. Wird z.B. ein Magnet mit 100 Polpaaren verwendet, so ergibt sich für ein herkömmliches System mit zwei Hall-Sensoren eine Auflösung von 100 Pulsen pro Umdrehung pro Kanal und es wird kein Indeximpuls erzeugt. Beim erfindungsgemäßen System mit 4N Hall-Sensoren entspricht die maximale Auflösung 200N Impulsen pro Umdrehung pro Kanal mit einem zusätzlichen Indeximpuls, wobei der Ausgang von zwei Kanälen um 90° phasenverschoben ist. Wird N = 4 gewählt, so erzeugt dieses System 800 Impulse pro Umdrehung, was für herkömmliche Anwendungen in der Fahrzeugindustrie ausreichend ist.
Die 5 zeigt schließlich die Schaltung der 16 Sensoren S1 bis 516, wobei insgesamt acht XOR-Glieder 42, die jeweils die Sensoren S1 und S3, S5 und S7, S9 und S11, S13 und S15 sowie S2 und S4, S6 und S8, S10 und S12 sowie S14 und S16 miteinander verknüpfen. Am Ausgang XOR-Glieder 42 liegen die Signale a bis h an. Diese Signale a bis h werden über insgesamt sechs OR-Glieder 44 miteinander verknüpft, woraus die Signale A und B erzeugt werden.
Die Sensoren S1 und S3 sind zudem miteinander verknüpft, wobei dem Sensor S3 ein NOT-Glied 46 nachgeschaltet ist und der Ausgang der Sensoren S1 und des NOT-Gliedes 46 mit einem AND- Glied 48 miteinander verknüpft sind. Am Ausgang des AND-Gliedes liegt das Index-Signal Z an.
In bevorzugter Weise werden, wie bereits erwähnt, Magnete 18 als Impulsgeber verwendet, wobei die Sensoren S1 bis S16 von Hall-Sensoren gebildet werden. Magnete und Hall-Sensoren sind äußerst robust und langlebig und daher besonders geeignet, bei Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden.

Claims

Hoch auflösender Drehwinkelsensor für einen Rotor (20) mit einem drehfest mit dem Rotor (20) verbundenen Impulsgeber (28) und mehreren ortsfesten, mit dem Impulsgeber (28) zusammenwirkenden Sensoren (S1 bis S16), wobei jeder Impuls des Impulsgebers (28) eine bestimmte Impulslänge (36) aufweist und jedem Impuls mehrere Sensoren (S1 bis S16) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sensoren X = 4N beträgt, wobei N ≥ 1 ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) einen Winkelabstand von 45°/N aufweisen.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) einen gleichen Abstand zueinander aufweisen.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) digitale Ausgangswerte aufweisen.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) symmetrische Schaltpunkte besitzen.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslängen (36) des Impulsgebers (28) gleich lang sind.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslänge (36) der von den Sensoren (S1 bis S16) überdeckten Strecke entspricht.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die X-Sensoren (S1 bis S16) wie folgt miteinander verknüpft sind: S1 XOR S3 = a usw. S(x – 3) XOR S(x – 1) = d S2 XOR S4 = e usw. S(x – 2) XOR S(x) = h d, e, ..., h und die Verknüpfungen Signale a, ..., erzeugen.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale a, ..., d, e, ..., h wie folgt miteinander verknüpft sind: a OR ... OR d = A e OR ... OR h = B und die Verknüpfungen ein Signal A und B erzeugen.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (S1) und der Sensor (S3) wie folgt miteinander verknüpft sind: NOT S3 AND S1 = Z und ein Signal Z erzeugen.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber (28) ein Ringmagnet (18) mit wenigstens einem Nordpol (32) und einem Südpol (30 bzw. 34) ist.1
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1 bis S16) Hall-Sensoren sind.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hall-Sensoren ein Rechtecksignal erzeugen.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Sensoren (S1 bis S16) den Ausgangssignalen herkömmlicher optischer oder magnetischer Encoder entsprechen, nämlich um 90° phasenverschobene Rechteckimpulse mit einem Indeximpuls.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er an ein herkömmliches Standardencoderinterface anschließbar ist.