DE3938057A1 - Sensoranordnung, und motorisch angetriebenes betaetigungsglied mit einer solchen sensoranordnung - Google Patents
Sensoranordnung, und motorisch angetriebenes betaetigungsglied mit einer solchen sensoranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Umdrehungen
eines drehbaren Teils. Sie betrifft ferner ein motorisch angetriebenes
Betätigungsglied mit einer solchen Sensoranordnung.
Sensoranordnungen dieser Art werden u.a. dazu verwendet, die
Umdrehungen eines Motors fortlaufend zu zählen. Eine bekannte
Sensoranordnung, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist, weist einen einzel
nen Magneten B auf, der auf dem Außenumfang einer drehbaren
Welle A befestigt ist, welche von einem Motor gedreht werden kann.
Eine magnetische Sensoranordnung C ist nahe beim Außenumfang
der Welle A stationär angeordnet. Sie weist beispielsweise einen Hall-IC
auf und ist so angeordnet, daß bei Drehung der Welle A der Magnet B
direkt unter ihr vorbeistreicht.
Der Hallgenerator der Sensoranordnung C gibt jedes Mal ein in Fig. 14
dargestelltes analoges Spannungssignal D ab, wenn sich der Magnet B
an ihm vorbeibewegt. In der Sensoranordnung C wird das analoge
Signal D in ein digitales Impulssignal E umgewandelt, und folglich
gibt die Sensoranordnung C eine Zahl von Impulsen E ab, die der
Zahl der Umdrehungen der Welle A entspricht.
In Fig. 14 geben zwei zur Abszisse parallele horizontale Linien
einen H-Schwellwert und einen L-Schwellwert an (H=hoch; L=niedrig).
Wie Fig. 14 zeigt, definiert der H-Schwellwert die Lage des ansteigen
den Teils eines Impulses E, und der L-Schwellwert definiert die Lage
des abfallenden Teils.
Zählt man also die Impulse E von der magnetischen Sensoranordnung
C, so erhält man die Zahl der Umdrehungen der Welle A bzw. des
sie antreibenden Motors.
Die eben beschriebene Sensoranordnung erzeugt aber nur dann eine
Zahl von Impulsen E, welche der Zahl der Umdrehungen der Welle A
entspricht, wenn sich diese Welle ständig mit einer bestimmten
Drehzahl dreht. Wird jedoch der die Welle C antreibende Motor abge
schaltet, und die Welle C kommt nach dem Auslauf in der Lage zur
Ruhe, wie sie Fig. 13 zeigt, so kann ein bestimmtes störendes Phänomen
auftreten: Vibriert in dieser Stellung die Welle A oder der Sensor C,
oder die Welle A ist mit Spiel gelagert, so gibt der Hallgenerator der
Sensoranordnung C ständig durch diese Vibrationen Spannungssignale
Dc (Fig. 14) ab. Folglich gibt auch die Sensoranordnung C ständig
entsprechende digitale Impulse Ec (Fig. 14) ab, obwohl sich die Welle A
gar nicht dreht. Man kann diese Impulse Ec als Vibrations- oder Er
schütterungssignale bezeichnen, und sie machen eine genaue Erfassung
der Zahl der Umdrehungen der Welle A unmöglich.
Ursache hierfür ist, daß die Verwendung eines Einzelmagneten B auf
der Welle A einen kleinen Schalthysteresewinkel R1 (Fig. 14) von etwa
5°, bezogen auf die Drehstellung der Welle A, zur Folge hat. Dieser
Winkel wird bestimmt durch die Höhe des H- und des L-Schwellwertes
und durch die Form der analogen Spannung D. Vibriert die Welle A
und mit ihr der Magnet B um mehr als diesen Hysteresewinkel R1,
so tritt dieser störende Effekt auf.
Man kann diesem Effekt dadurch teilweise begegnen, daß man diejenigen
Impulse E nicht als Umdrehung zählt, bei welchen der Impulsabstand t 1
(Fig. 14) so kurz ist, daß dies einer unwahrscheinlichen Drehzahl ent
spricht. Nimmt man für den Magneten B in Fig. 13 eine Winkelerstreckung
von 20° und für den magnetfreien Umfang der Welle A 340° an, nimmt
man ferner an, daß bei der höchsten Drehzahl der Welle A die Impuls
abstände t 1 immer noch 7 ms betragen, so können die Impulse Ec aus
gefiltert werden, deren Impulsabstand kleiner als 7 ms ist. In diesem
Fall muß aber zur Messung des Impulsabstandes t 1 auch die Zeitdauer
t 2 (Fig. 14) gemessen werden, während deren ein Impuls hoch ist.
Wegen der kurzen Winkelerstreckung des Magneten B von nur 20°
ist aber die Zeitdauer t 2, während deren ein Impuls E hoch ist, sehr
kurz. Es ist deshalb schwierig, diese Zeitdauer t 2 zu erfassen und
die Störimpulse Ec auszufiltern.
Selbst wenn es gelingt die Störimpulse Ec auf diese Weise auszu
filtern gelingt dies doch nicht wenn die Welle A langsam vibriert
und sich der Magnet B und die Sensoranordnung C in der Lage
gemäß Fig. 13 befinden. In diesem Fall können diese Vibrationsimpulse
nicht eliminiert werden, und folglich kann die Zahl der Umdrehungen
der Welle A nicht genau gezählt werden.
Dieser Nachteil ist besonders gravierend, wenn eine solche Sensoranordnung
bei einem motorisch angetriebenen Betätigungsglied verwendet wird,
bei welchem die Welle A (Fig. 13) durch einen Motor vorwärts oder
rückwärts angetrieben wird und diese Drehbewegungen z. B. in lineare
Bewegungen des Schließglieds eines Ventils umgewandelt werden, oder
in Öffnungs- bzw. Schließbewegungen des Ventils. Man möchte hier
bei durch Zählung der Umdrehungen der Welle A den Grad der Ven
tilöffnung fortlaufend erfassen. Treten nun aber solche Vibrations
signale auf, so kann die Zahl der Umdrehungen der Welle A nicht
genau gezählt werden, und folglich kann man den Grad der Ventil
öffnung nicht genau steuern oder regeln.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, hier eine Verbesserung
zu schaffen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1
angegebenen Maßnahmen. Man erhält so einen Sensor von einfachem
Aufbau, mit dem die Zahl der Umdrehungen eines drehbaren Teils
genau und unbeeinflußt durch Vibrationen gezählt werden kann.
Diese Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die im Anspruch 8 angegebenen
Maßnahmen. Ein solches Betätigungsglied kann sein angetriebenes
Teil unter Zählung der Umdrehungen des antreibenden Motors exakt
positionieren und deshalb die lineare Bewegung dieses angetriebenen
Teils und dessen Lage exakt steuern oder regeln.
In besonders bevorzugter Weise geht man dabei so vor, daß eine
Umfangshälfte des Ringmagneten als Nordpol und seine andere Umfangs
hälfte als Südpol magnetisiert ist. Jedesmal, wenn das drehbare Teil
eine halbe Umdrehung ausgeführt hat, ändert sich die von der magnetischen
Sensoranordnung erfaßte Polarität des Ringmagneten. Weist die magnetische
Sensoranordnung einen Hall-IC auf, so kann der Ringmagnet bevor
zugt so magnetisiert werden, daß der Hallgenerator des Hall-IC
ein sinusförmiges Spannungssignal erzeugt und nicht ein impulsförmiges
Signal wie in Fig. 14, wenn sich das drehbare Teil gleichförmig dreht.
Bei einem solchen sinusförmigen Signal erhält man durch das H-Schwell
wertsignal und das L-Schwellwertsignal einen großen Drehwinkel für
die Schalthysterese. Dies ist ohne weiteres dadurch zu erreichen,
daß man im Bereich der Polgrenzen des Ringmagneten dessen Induktion
langsam und stetig ändert. Selbst wenn sich also eine Polgrenze an
derselben Stelle befindet wie der Magnet B in Fig. 13, sich der Ring
magnet nicht dreht, und das drehbare Teil aus irgend einem Grund
vibriert, liegt diese Vibration innerhalb des eben erläuterten vergrößerten
Winkels der Schalthysterese, so daß die Sensoranordnung bei einer
solchen Vibration kein Signal abgibt. Man kann also bei Verwendung
einer Sensoranordnung nach der Erfindung die Zahl der Umdrehungen
eines drehbaren Teils mittels der bei der Drehung erzeugten Impulse
genau und fehlerfrei erfassen.
Baut man eine derartige Sensoranordnung in ein motorisch ange
triebenes Betätigungsglied ein, so ist es möglich, die Zahl der
Umdrehungen einer Welle exakt zu zählen, an welcher der Ringmagnet
befestigt ist, und infolgedessen kann ein angetriebenes Teil, welches
vom Motor über ein Getriebe angetrieben wird, mit hoher Genauigkeit
positioniert werden.
Mit besonderem Vorteil geht man bei der Erfindung so vor, daß die
Magnetanordnung einen ersten Ringmagneten und einen zweiten Ring
magneten aufweist, welche auf dem Außenumfang des drehbaren Teils
befestigt sind, und daß die magnetische Sensoranordnung einen dem
ersten Ringmagneten zugeordneten ersten magnetischen Sensor und
einen dem zweiten Ringmagneten zugeordneten zweiten magnetischen
Sensor aufweist. Dabei werden mit großem Vorteil die Pole des ersten
Ringmagneten zu denen des zweiten Ringmagneten um einen vorgege
benen Winkel in Drehrichtung des drehbaren Teiles versetzt, bevor
zugt um mindestens nahezu 90° el. In diesem Fall ist es möglich, fest
zustellen, ob sich das drehbare Teil vorwärts oder rückwärts dreht,
und zwar anhand der Ausgangssignale der beiden angegebenen magnetischen
Sensoranordnungen dieser beiden Magnetringe. Durch Verwendung
eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers kann also z. B. die Lage eines
vom Motor angetriebenen Teils ständig exakt verfolgt werden.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung
dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung
zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den übrigen
Unteransprüchen. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, gesehen längs der
Linie I-I der Fig. 4,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Leerlaufdrehzahl-
Steuerventils eines Fahrzeugs, bei welchem die Sensoran
ordnung nach Fig. 1 Anwendung findet,
Fig. 3 ein Schaubild, welches ein motorisch angetriebenes Betätigungs
glied zeigt, in welches die Sensoranordnung nach Fig. 1 inte
griert ist,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Betätigungs
glieds der Fig. 3, welche die Anordnung der Sensoranordnung
relativ zum Betätigungsglied darstellt,
Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches den prinzipiellen Aufbau eines
bei Fig. 1 verwendeten Hall-IC zeigt,
Fig. 6 ein Schaubild, welches oben das Ausgangssignal des
im Hall-IC enthaltenen Hallgenerators und unten das Ausgangs
signal des Hall-IC zeigt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung, welche eine Abwandlung
einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zeigt,
Fig. 8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7,
Fig. 9 einen Schnitt, gesehen längs der Linie IX-IX der Fig. 7,
Fig. 10 ein Diagramm welches die Ausgangssignale der Hall-ICs
der Sensoranordnung nach Fig. 7 zeigt,
Fig. 11 und Fig. 12 Diagramme, welche die Ausgangssignale der
Hall-ICs der Fig. 10 einander überlagert zeigen, und
zwar in Fig. 11 für Vorwärtsdrehung und Fig. 12 für
Rückwärtsdrehung,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines bekannten Sensors
zur Erfassung von Umdrehungen, und
Fig. 14 ein Diagramm, welches oben die Ausgangssignale eines
im Hall-IC der Fig. 13 enthaltenen Hallgenerators und
unten die Ausgangssignale dieses Hall-IC zeigt.
Ein Sensor 20 zur Erfassung von Umdrehungen, wie er in Fig. 1
schematisch dargestellt ist, ist in ein motorisch angetriebenes
Betätigungsglied 22 integriert, wie es in den Fig. 2 und 3 darge
stellt ist. Das motorisch angetriebene Betätigungsglied 22 dieses
Ausführungsbeispiels wird verwendet zum Antrieb eines Steuer
ventils zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors
24 eines Kraftfahrzeugs, also zum Antrieb des Schließglieds 28 eines
Leerlaufdrehzahl-Steuerventils 26, das im folgenden als LDSV 26 be
zeichnet wird.
Zunächst soll das LDSV 26 kurz beschrieben werden. Ein Einlaß
kanal 30 des Verbrennungsmotors 24 ist mit einem Bypass 34 versehen,
und zwar parallel zu einer Drosselklappe 32, welch letztere im Einlaß
kanal 30 angeordnet ist, und das LDSV 26 ist in diesem Bypass 34 ange
ordnet. Läuft der Verbrennungsmotor 24 im Leerlauf, so wird das
Schließglied 28 des LDSV 26, gesteuert von einem elektronischen
Steuergerät 36 (Fig. 3), mittels des motorisch angetriebenen Betätigungs
glieds 22 verstellt, und hierdurch kann der Durchflußquerschnitt des
Bypass 34 mittels des motorisch angetriebenen Betätigungsglieds 22
verändert werden. Man kann also durch Änderung der Ventilöffnung
des Schließglieds 28 des LDSV 26 die Menge an Kraftstoffgemisch,
welche dem Verbrennungsmotor 24 über den Bypass 34 zugeführt wird,
einstellen, und entsprechend dieser Einstellung wird die Leerlaufdreh
zahl des Verbrennungsmotors 24 auf einen gewünschten Sollwert der
Leerlaufdrehzahl eingestellt, der abhängig von Betriebsbedingungen
des Verbrennungsmotors 24 festgelegt wird.
Der Sollwert der Leerlaufdrehzahl wird verändert abhängig von der
Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors 24. Bei einem Kraft
fahrzeug, das mit einer Klimaanlage ausgerüstet ist, oder mit einem
automatischen Getriebe, oder mit einer Hydropumpe für Servolenkung,
etc., wird der Sollwert der Leerlaufdrehzahl auch abhängig davon
verändert, ob die Klimaanlage ein- oder ausgeschaltet ist, abhängig
von den Schaltbereichen des Automatikgetriebes, abhängig davon,
ob die Hydropumpe arbeitet oder nicht, etc.
Das LDSV 26 hat ein Gehäuse 38, von dem in Fig. 2 nur das untere
Teil dargestellt ist. Dieses untere Teil hat eine hohlzylindrische Form
und hat in seiner rechten Seitenwand eine Einlaßöffnung 40, welche
mit der Zuströmseite des Bypass 34 verbunden ist. Ferner ist an der
unteren Wand des unteren Teils des Gehäuses 38 eine Auslaßöffnung
42 ausgebildet und mit dem abströmseitigen Abschnitt des Bypass 34
verbunden. Dies ergibt sich alles klar aus Fig. 2.
Eine innere Umfangskante der Auslaßöffnung 42 funktioniert, zusammen
mit dem Schließglied 28, als Ventilsitz 44. Eine Ventilwelle 45 erstreckt
sich vom Schließglied 28 nach oben, bezogen auf Fig. 2, und ist axial
verschiebbar durch ein Lager 46 gelagert, welch letzteres im Gehäuse
38 befestigt ist. Eine Ventilfeder 48, welche als Druckfeder ausge
bildet ist, ist zwischen dem Lager 46 und dem Schließglied 28 ange
ordnet und umgibt die Ventilwelle 45. Die Ventilfeder 48 beaufschlagt
das Schließglied 28 in Richtung zum Ventilsitz 44. Infolgedessen sitzt
das Schließglied 28 normalerweise auf dem Ventilsitz 44 infolge der
Kraft der Ventilfeder 48, so daß im normalen Zustand die Auslaßöffnung
42 geschlossen ist.
Das Ventilglied 28 des LDSV 26 wird von einem motorisch angetriebenen
Betätigungsglied 22 angetrieben, wie bereits erläutert. Dieses
motorisch angetriebene Betätigungsglied 22 wird nun beschrieben.
Das motorisch angetriebene Betätigungsglied 22 weist eine Vorschub
spindel 52 auf, die an ihrem unteren Abschnitt einen Halsabschnitt
in Form einer Ringnut 50 hat und die sich anschließend an das obere
Ende der Ventilwelle 45 nach oben erstreckt. Die Vorschubspindel
52 erstreckt sich gleichachsig mit der Ventilwelle 45 und von dieser
nach oben, und das Zahnrad 54 eines Schneckengetriebes, welches
Zahnrad drehbar im Gehäuse 38 angeordnet ist, steht im Getriebe
eingriff mit der Vorschubspindel 52. Hierzu hat das Zahnrad 54
eine Gewindebohrung 56 in seinem Mittelabschnitt, und die Vorschub
spindel 52 ist in diese Gewindebohrung 56 eingeschraubt und durch
dringt sie bis zur gegenüberliegenden Seite dieses Zahnrads 54. Eine
axiale Verschiebung des Zahnrads 54 wird durch geeignete Be
festigungsmittel verhindert, welche nicht dargestellt sind.
Eine ringförmige Abdeckung 58 erstreckt sich von der unteren
Stirnseite des Zahnrads 54 (des Schneckengetriebes) in Richtung
zum Lager 46, und zwar nicht ganz bis zu diesem Lager, und um
gibt die Vorschubspindel 52. Ein ringförmiger Rand 60 erstreckt sich
von der Oberseite des Zahnrads 54 und umgibt einen oberen Endab
schnitt 62 der Vorschubspindel 52, der sich aus der Oberseite des
Zahnrads 54 heraus erstreckt. Oberhalb des Zahnrads 54 befindet sich
ein zylindrischer Anschlag 64, welcher gleichachsig mit der Vorschub
spindel 52 angeordnet ist. Der Anschlag 64 hat einen ringförmigen
Abschnitt 68 an seinem unteren Ende, und dieser definiert eine
zylindrische Aussparung 66, deren Durchmesser etwas größer ist
als derjenige der Vorschubspindel 52. Der untere Rand des ring
förmigen Abschnitts 68 liegt zwischen dem ringförmigen Vorsprung 60
des Zahnrads 54 und dem oberen Endabschnitt 62 der Vorschub
spindel 52 und umgibt dadurch diesen oberen Endabschnitt. Das
obere Ende der Aussparung 66 des Anschlags 64 wirkt als eine An
schlagfläche 70 zur Festlegung der Obergrenze der axialen Bewegung
der Vorschubspindel 52, d.h. des Abstandes, um den sich das
Schließglied 28 maximal vom Ventilsitz 44 entfernen kann. Diese Anschlag
fläche 70 bestimmt also die maximale Öffnung des Schließglieds 28.
Das Zahnrad 54 kämmt mit einem Schneckenrad 72 des Schnecken
getriebes, welches Schneckenrad aus nichtmagnetischem Werkstoff her
gestellt ist. Wie Fig. 3 zeigt, erstreckt sich das Schneckenrad 72
in einer Richtung senkrecht zur Achse des Zahnrads 54 und ist mit
einem Ende mit der Ausgangswelle 76 eines Motors 74 gekuppelt, welcher
Motor vorwärts und rückwärts angetrieben werden kann. Der hier
verwendete Motor 74 ist ein üblicher Gleichstrommotor mit Bürsten.
Diese Art von Motor ist preiswert und hat den Vorteil, daß sich
ihre Charakteristiken wenig ändern, wenn dieser Motor infolge
einer Zunahme der Umgebungstemperatur erwärmt wird. Selbstver
ständlich ist aber auch die Verwendung eines kollektorlosen Gleichstrom
motors nicht ausgeschlossen.
Der Motor 74 ist elektrisch mit einer Treiberschaltung 78 verbunden,
welche ihrerseits mit dem bereits erwähnten elektronischen Steuer
gerät 36 verbunden ist.
Obwohl das in Fig. 2 nicht dargestellt ist, sind der Motor 74 und das
Schneckenrad 72 im Gehäuse 38 angeordnet.
Bei dem eben beschriebenen motorisch angetriebenen Betätigungs
glied 22 wird der Motor 74 durch die Treiberschaltung 78 entweder
vorwärts oder rückwärts angetrieben, entsprechend einem Treiber
signal, welches der Treiberschaltung 78 vom elektronischen Steuer
gerät 36 zugeführt wird. Das Drehmoment des Motors 74 wird über
das Schneckenrad 72 auf das Zahnrad 54 übertragen, wodurch dieses
Zahnrad gedreht wird. Es ergibt sich dabei eine selbstsperrende
Anordnung. Da das Zahnrad 54 an einer axialen Verschiebung gehindert
ist, wird seine Drehung in eine axiale Bewegung der Vorschubspindel
52 umgewandelt. Bei dieser axialen Bewegung der Vorschubspindel
52 wird das Schließglied 28 des LDSV 26 durch den Abschnitt 50 und
die Ventilwelle 45 in einer Richtung entweder zum Ventilsitz 44 hin
oder von diesem weg bewegt. Auf diese Weise wird also der Grad
der Ventilöffnung des Schließglieds 28 verändert. Arbeitet also der
Verbrennungsmotor 24 des Fahrzeugs im Leerlauf, so wird die Ventil
öffnung des Schließglieds 28 des LDSV 26 durch das motorisch ange
triebene Betätigungsgerät 22 verändert, um die Menge an Kraftstoff
gemisch einzustellen, welche dem Verbrennungsmotor 24 über den
bereits erwähnten Bypass 34 zugeführt wird, und auf diese Weise
kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 24 im Leerlauf gesteuert
oder geregelt werden.
Diese Einstellung der Leerlaufdrehzahl wird so ausgeführt, daß die
Ist-Leerlaufdrehzahl mit einer Soll-Leerlaufdrehzahl übereinstimmt,
welche den Betriebsbedingungen angepaßt ist, unter denen der
Verbrennungsmotor 24 arbeitet. Zu diesem Zweck muß die Öffnung
des Schließglieds 28 des LDSV 26 entsprechend der Abweichung
zwischen der Soll-Leerlaufdrehzahl und der Ist-Leerlaufdrehzahl
geregelt werden. Die Öffnung des Schließglieds 28, d.h. dessen
axiale Lage im Ventil, kann nun ermittelt werden durch Zählen
der Zahl von Umdrehungen des Motors 74 des motorisch angetriebenen
Betätigungsglieds 22, und deshalb wird bei der Erfindung der
Sensor 20 zum Erfassen der Zahl von Umdrehungen in das motorisch
angetriebene Betätigungsglied 74 integriert, wie das am Beginn der
Beschreibung dieser Ausführungsform bereits angegeben wurde.
Der Sensor 20 ist am distalen Ende des Schneckenrads 72 angeordnet,
wie das aus Fig. 3 in Verbindung mit den Fig. 1 und 4 klar hervorgeht.
Das Schneckenrad 72 hat an seinem distalen Ende einen Wellenabschnitt
80, welcher sich zusammen mit dem Schneckenrad 72 dreht und bei
dem die Zahl der Umdrehungen erfaßt wird. Ein Ringmagnet 82 ist
an diesem Wellenabschnitt 80 angebracht. Der Ringmagnet 82 ist
an dem Wellenabschnitt 80 befestigt, wodurch der Ringmagnet 82 sich
zusammen mit dem Wellenabschnitt 80 dreht. Der Ringmagnet 80 ist so
magnetisiert, daß eine Hälfte seines Umfangs als Nordpol und die
andere Hälfte seines Umfangs als Südpol dient, wie das in Fig. 1 darge
stellt ist. Dies kann z. B. durch eine diametrale Magnetisierung erreicht
werden, die dann zu einer etwa sinusförmigen Magnetisierung dieses
Magnetrings 82 führt. In Fig. 1 sind die Polgrenzen des Ringmag
neten 82 durch die gestrichelten Linien X angedeutet.
Ein Hall-IC 84, welcher als magnetischer Sensor dient, ist am Ge
häuse 38 in der Nähe des Außenumfangs des Wellenabschnitts 80
befestigt, in der Weise, daß dieser Hall-IC dem Außenumfang des
Ringmagneten 82 zugewandt ist.
Läuft ein Magnetpol an der Außenseite des Ringmagneten 82, z. B.
der Nordpol, unter dem Hall-IC 84 durch, während sich der Ringmagnet
82 zusammen mit dem Wellenabschnitt 80 dreht, so gibt der Hall-IC 84
ein Spannungssignal ab, welches hoch (H) ist, und wenn der Südpol
des Ringmagneten 82 unter dem Hall-IC 84 durchläuft, so gibt der Hall-
IC 84 ein niedriges (L) Spannungssignal ab.
Wie Fig. 5 zeigt, weist der Hall-IC 84 einen Hallgenerator 86
auf, welcher das Magnetfeld des Ringmagneten 82 erfaßt und ein
analoges Signal entsprechend der Größe dieses Magnetfelds abgibt.
Dieses Analogsignal vom Hallgenerator 86 wird einem Komparator 88
zugeführt, welcher ein hohes (H) Spannungssignal abgibt, wenn der
Wert des ihm zugeführten analogen Signals höher ist als der
H-Schwellwert, und der ein niedriges (L) Spannungssignal abgibt,
wenn der Wert des ihm zugeführten analogen Signals niedriger
ist als der L-Schwellwert. Infolgedessen entsteht am Ausgang des
Komparators 88 ein Impulssignal P, welches einem Impulsformer
90 zugeführt und dort weiter in die gewünschte Form gebracht wird
und dann am Ausgang 92 des Hall-IC 84 abgegeben wird. Das Impuls
signal P an dieser Stufe enthält, wie in Fig. 6 dargestellt, eine
Komponente mit dem Wert H, die mit PH bezeichnet ist, und eine
Komponente mit dem Wert L, die mit PL bezeichnet ist. Der Ausgang
92 ist mit dem elektronischen Steuergerät 36 verbunden, wie das
Fig. 3 zeigt, so daß die Signalimpulse vom Hall-IC 84 dem elektronischen
Steuergerät 36 zugeführt werden. In Fig. 5 sind die Ausgangs-
Spannungsformen des Hallgenerators 86, des Komparators 88 und
des Impulsformers 90 symbolisch dargestellt, ferner die Symbole Vcc
und Masse, von denen ersteres den Anschluß an eine Spanungs
versorgung und letzteres die Verbindung mit Masse symbolisiert.
Wird bei dem beschriebenen Sensor 20 durch den Motor 74 der Wellen
abschnitt 80 samt dem darauf befindlichen Ringmagneten 82 gedreht,
so erfaßt der Hallgenerator 86 des Hall-IC 84 jeweils nach einer halben
Umdrehung das Magnetfeld eines anderen Poles. Infolgedessen gibt
der Hallgenerator 86 ein Analogsignal S ab, das beinahe sinusförmig
ist, wie das in Fig. 6, oben, dargestellt ist. Dieses Analogsignal S
des Hallgenerators 86 wird durch den Komparator 88 und den Impuls
former 90 in ein Impulssignal P umgewandelt, wie es in Fig. 6, unten,
dargestellt ist. Dieses Impulssignal P wird vom Hall-IC 84 der elektro
nischen Steuerschaltung 36 zugeführt. Die H-Wert-Komponente PH
und die L-Wert-Komponente PL des Impulssignal P, welches dem
elektronischen Steuergerät 36 zugeführt wird, werden von Zählern
im elektronischen Steuergerät 36 so gezählt, daß deren Zählwerte
entweder hinauf- oder hinuntergezählt werden abhängig davon,
ob sich der Motor 74 vorwärts oder rückwärts dreht. Infolgedessen
stellen diese Zählwerte in den Zählern, welche aus der Zahl der
Umdrehungen des Motors 74 abgeleitet sind, ein Maß für die Ventil
öffnung des Schließglieds 28 des LDSV 26 dar.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor 20 ist der Ringmagnet 82
so magnetisiert, daß seine eine Umfangshälfte als Nordpol und seine
andere Umfangshälfte als Südpol dient. Infolgedessen gibt bei
Drehung des Wellenabschnitts 80 der Hallgenerator 86 des Hall-IC 84
ein Analogsignal S ab, welches nahezu sinusförmig ist, wie das
bereits erwähnt wurde und in Fig. 6 dargestellt ist. Dadurch ergibt
sich ein großer Hysteresewinkel R2 von etwa 30°, welcher ungleich
größer ist als der Hysteresewinkel R1 der Vorrichtung nach dem
Stand der Technik, wie er in Fig. 14 dargestellt ist. Wird also der
Motor 74 angehalten, und der Ringmagnet 82 befindet sich in der
in Fig. 1 dargestellten Stellung, nämlich in einer solchen Stellung,
daß eine Polgrenze X zwischen seinen Magnetpolen dem Hall-IC 84
gegenüberliegt, so hat das Spannungssignal S vom Hallgenerator 86
des Hall-IC 84 einen Wert, welcher zwischen dem H-Schwellwert und
dem L-Schwellwert liegt, wie das in Fig. 6 durch den Punkt Y dar
gestellt ist. Befindet sich also der Ringmagnet 82 in dieser Ruhe
stellung, und der Wellenabschnitt 80 und mit ihm der Ringmagnet 82
führen Drehschwingungen aus, so gehen diese Drehschwingungen
niemals über den Wert (1/2) R2 hinaus, so daß Änderungen des
Spannungssignals S vom Hallgenerator 86 infolge dieser Drehschwingungen
auf den Bereich zwischen dem H-Schwellwert und dem L-Schwell
wert begrenzt werden können. Deshalb ist es möglich, zu verhindern,
daß ein Impulssignal P fehlerhaft erzeugt wird, was einen falschen
Zählvorgang bei den Zählern des elektronischen Steuergeräts zur
Folge hätte, d. h. man kann verhindern, daß solch ein durch Vibrationen
verursachtes Impulssignal P vom Hall-IC 84 abgegeben wird.
Wichtig ist hierfür ersichtlich besonders, daß im Bereich der Pol
grenzen keine abrupten Induktionsänderungen auftreten, sondern
daß sich dort die Induktion mit dem Drehwinkel relativ langsam
ändert. Diese Forderung wird beispielsweise von einem Sinussignal
erfüllt, aber auch von anderen Signalformen, wie das dem Fachmann
ohne weiteres klar ist.
Befindet sich der Wellenabschnitt 80 in Ruhe, und die Polgrenze
X des Ringmagneten 82 befindet sich an einer Stelle, die von derjenigen
nach Fig. 1 in der Weise abweicht, daß der Wert des analogen
Spannungssignals S vom Hallgenerator 86 nahe beim H-Schwellwert
oder nahe beim L-Schwellwert liegt, so treten keine unterwünschten
Impulssignale P vom Hall-IC 84 selbst dann auf, wenn Drehschwingungen
auf den Wellenabschnitt 80 einwirken. In diesem Fall nimmt nämlich einfach
die Zeitdauer t 3 der Komponente PH des P-Signals oder die Zeitdauer
der Komponente PL dieses Signals zu, und infolgedessen ist es
möglich, ein Impulssignal P zu verhindern, das ein fehlerhaftes
Zählen der Zähler im elektronischen Steuergerät bewirkt d.h. zu
verhindern, daß ein solches durch Vibrationen verursachtes Impuls
signal P vom Hall-IC 84 abgegeben wird.
Dreht sich der Wellenabschnitt 80 mit konstanter Drehzahl, so hat
der Abschnitt PH und der Abschnitt PL des Impulssignals P jeweils
die gleiche Länge, nämlich die Zeitdauer t 3, wie das aus Fig. 6
klar hervorgeht, und diese Zeitdauer t 3 ist wesentlich länger als
die Zeitdauer t 2 der Anordnung nach dem Stand der Technik, wie
sie in Fig. 14 dargestellt ist. Es ist also leicht möglich, diese Zeit
dauer t 3 zu erfassen. Selbst wenn also die Drehschwingungen des
Wellenabschnitts 80 so groß wären, daß durch Vibration verursachte
Impulse im Impulssignal P vom Hall-IC 84 auftreten, so können solche
durch Vibration verursachte Impulse leicht dadurch eliminiert werden,
daß das Impulssignal P gefiltert wird, und zwar unter Berücksichtigung
der Drehzahl des Motors 74; hierbei werden diejenigen Impulssignale
P, deren Impulsabstand t 1 so kurz oder lang ist, daß dies unwahr
scheinlich ist, nicht berücksichtigt und folglich auch nicht gezählt.
Selbstverständlich kann eine derartige Filterung auch für den Fall
wirksam sein, daß das Spannungssignal S vom Hallgenerator 86 durch
äußere elektromagnetische Störungen von einer Nachrichtenanlage,
einer Rundfunkstation etc. ungünstig beeinflußt wird.
Wie bereits beschrieben, kann der erfindungsgemäße Sensor 20 die
Zahl der Umdrehungen des Wellenabschnitts 80 mit einer einfachen
Anordnung genau zählen; integriert man diesen Sensor 20 in das
motorisch angetriebene Betätigungsglied 22 des LDSV 26, so kann man
damit die Größe der Ventilöffnung des Schließglieds 28 des LDSV 26
mit hoher Genauigkeit erfassen und regeln.
Muß die Genauigkeit der Messung der Lage des Schließglieds 28
weiter erhöht werden, so werden die Zähler im elektronischen Steuer
gerät rückgestellt, wobei das obere Ende 62 der Vorschubspindel 52
des LDSV 26 in Anlage gegen den Anschlag 64 gehalten wird, und die
Zahl der Umdrehungen des Wellenabschnitts 80 wird gezählt, während
man die Vorschubspindel 52 von dieser Anschlagstellung wegbewegt.
Wird die Zahl der Zähne des Zahnrads 54 so groß wie möglich gemacht
und die Gewindesteigung der Vorschubspindel 52 wird verkleinert,
so kann naturgemäß die Öffnung des Schließglieds 28 mit einer höheren
Genauigkeit erfaßt und geregelt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das eben beschriebene erste Ausführungs
beispiel beschränkt, und eine Abwandlung der Erfindung ist z. B.
gemäß den Fig. 7 bis 12 möglich.
Wie aus Fig. 7 hervorgeht, weist bei dieser Abwandlung die Sensor
anordnung 20 einen ersten Magnetring 82 a auf, welchem ein erster
Hall-IC 84 a zugeordnet ist, sowie einen zweiten Ringmagneten 82 b, dem
ein zweiter Hall-IC 84 b zugeordnet ist. Der erste und zweite Ring
magnet 82 a bzw. 82 b sowie der erste und der zweite Hall-IC 84 a bzw.
84 b sind äquivalent mit den entsprechenden Elementen beim ersten
Ausführungsbeispiel, und deshalb werden sie nicht erneut beschrieben.
Jedoch sind bei dieser abgewandelten Ausführungsform der erste und
der zweite Ringmagnet 82 a bzw. 82 b so am Wellenabschnitt 80 befestigt,
daß sie zueinander um 90° el. versetzt sind. Bei der dargestellten
zweipoligen Anordnung bedeutet dies naturgemäß, daß die Versetzung
90° mech. beträgt.
Bei der abgewandelten Sensoranordnung 20 nach Fig. 7 gibt bei
einer Drehung des Wellenabschnitts 80 der erste Hall-IC 84 a ein
erstes Impulssignal P 1 ab, und der zweite Hall-IC 84 b gibt ein zweites
Impulssignal P 2 ab. Dies ist in Fig. 10 dargestellt, wobei dort auch
die erwähnte Phasenverschiebung von 90° klar erkennbar ist.
Wertet man also die erste Impulsfolge P 1 und die zweite Impulsfolge
P 2 gemäß Fig. 10 zusammen aus, so ist es möglich, zu bestimmen, ob
sich der Wellenabschnitt 80 vorwärts oder rückwärts dreht. Es sei
angenommen, daß sich der Wellenabschnitt 80 in Vorwärtsrichtung dreht,
und daß sich dabei durch Überlagerung der ersten Impulsfolge P 1
mit der zweiten Impulsfolge P 2 das Bild nach Fig. 11 ergibt. Hat in
diesem Fall das erste Impulssignal P 1 vom ersten Hall-IC 84 a einen
hohen H-Wert, so ändert sich das zweite Impulssignal P 2 vom zweiten
Hall-IC 84 b vom H-Wert zum L-Wert.
Dreht sich dagegen der Wellenabschnitt 80 in umgekehrter Richtung,
so ergibt sich ein Überlagerungsbild gemäß Fig. 12, wenn man die
Impulssignale vom ersten Hall-IC 84 a und vom zweiten Hall-IC 84 b
überlagert. Wie Fig. 12 klar zeigt, ändert sich hierbei, während das
erste Impulssignal P 1 vom ersten Hall-IC 84 a den H-Wert beibehält,
das zweite Impulssignal P 2 vom zweiten Hall-IC 84 b vom L-Wert zum
H-Wert.
Bei dieser abgewandelten Ausführungsform kann man also erfassen,
ob sich der Wellenabschnitt 80, also der Motor 74, vorwärts oder
rückwärts dreht; dies geschieht durch Diskriminierung zwischen
den Mustern der Fig. 11 und 12, die man erhält, indem man die
Impulssignale vom ersten Hall-IC 84 a und vom zweiten Hall-IC 84 b
mittels des elektronischen Steuergeräts 36 überlagert.
Beim ersten Ausführungsbeispiel wird ebenso wie beim zweiten Aus
führungsbeispiel ein Hall-IC als magnetischer Sensor verwendet,
aber es ist selbstverständlich auch möglich, andere magnetische
Sensoren zu verwenden, z. B. magnetfeldabhängige Widerstände
oder magnetische Sensoren vom elektromagnetischen Induktionstyp.
Ebenso ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors zur
Erfassung einer Zahl von Umdrehungen, gemäß der Erfindung, nicht
auf die Verwendung bei einem LDSV beschränkt, und ein solcher
Sensor kann naturgemäß auch dazu verwendet werden, die Zahl
von Umdrehungen eines rotierenden Teils zu erfassen, das in be
liebigen anderen Vorrichtungen als Bestandteil enthalten ist. Auch
sind weitere Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Er
findung ohne weiteres möglich.
Claims (14)
1. Sensor zum Erfassen von Umdrehungen eines mit einer Magnetan
ordnung (82) versehenen drehbaren Teils (80), welchem eine mag
netische Sensoranordnung (84) zum Erfassen des magnetischen Feldes
der Magnetanordnung (82) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung mindestens einen
Ringmagneten (82) aufweist, der auf einem Außenumfang des dreh
baren Teils (80) befestigt ist und diesen umgibt,
daß der Ringmagnet (82), gleichmäßig verteilt, gleich lange Nordpol abschnitte (N) und Südpolabschnitte (S) aufweist,
und daß die magnetische Sensoranordnung (84) zur Abgabe eines Impulssignals abhängig von Größe und Richtung des Magnetfelds des Ringmagneten (82) ausgebildet und gegenüber der Außenseite des Ringmagneten (82) stationär angeordnet ist.
daß der Ringmagnet (82), gleichmäßig verteilt, gleich lange Nordpol abschnitte (N) und Südpolabschnitte (S) aufweist,
und daß die magnetische Sensoranordnung (84) zur Abgabe eines Impulssignals abhängig von Größe und Richtung des Magnetfelds des Ringmagneten (82) ausgebildet und gegenüber der Außenseite des Ringmagneten (82) stationär angeordnet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umfangs
hälfte des Ringmagneten (82) als Nordpol (N) und seine andere Um
fangshälfte als Südpol (S) magnetisiert ist ( Fig. 1).
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
magnetische Sensoranordnung (84) eine integrierte Schaltung mit einem
Hallgenerator (86) aufweist, welch letzterer bei Drehung des Ring
magneten (82) ein Signal entsprechend dem ihm jeweils gegenüberliegen
den Pol des Ringmagneten (82) abgibt.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte
Schaltung (Fig. 3) außerdem einen Komparator (88) zum Umwandeln
des Hallsignals in ein Impulssignal und einen Impulsformer (90) auf
weist.
5. Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (82) einen ersten
Ringmagneten (82 a) und einen zweiten Ringmagneten (82 b) aufweist,
welche auf dem Außenumfang des drehbaren Teils (80) befestigt sind,
und daß die magnetische Sensoranordnung einen dem ersten Ringmag
neten (82 a) zugeordneten ersten magnetischen Sensor (84 a) und einen
dem zweiten Ringmagneten (82 b) zugeordneten zweiten magnetischen
Sensor (84 b) aufweist (Fig. 7).
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des
ersten Ringmagneten (82 a) zu denen des zweiten Ringmagneten (82 b)
um einen vorgegebenen Winkel (Fig. 8, 9) in Drehrichtung des dreh
baren Teils (80) versetzt sind.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorge
gebene Winkel mindestens nahezu 90° el. beträgt (Fig. 8, 9).
8. Motorisch angetriebenes Betätigungsglied,
mit einem ständig antreibbaren Motor (74),
einem Getriebe (72, 54, 56, 52) zur Umformung der Drehbewegung des Motors (74) in eine lineare Bewegung eines angetriebenen Teils (28),
mit einer an einer der drehend antreibbaren Wellen (80) des Getriebes oder des Motors (74) vorgesehenen Magnetanordnung (82),
ferner mit einer Sensoranordnung (84) zur Erfassung des Magnetfelds der Magnetanordnung (82), wenn diese zusammen mit der ihr zuge ordneten Welle (80) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung mindestens einen Ringmagneten (82) aufweist, der auf einem Außenumfang der ihm zuge ordneten Welle (80) befestigt ist und diesen umgibt,
daß der Ringmagnet (82), gleichmäßig verteilt, gleich lange Nordpol abschnitte (N) und Südpolabschnitte (S) aufweist,
und daß die magnetische Sensoranordnung (84) zur Abgabe eines Impulssignals abhängig von Größe und Richtung des Magnetfeldes des Ringmagneten (82) ausgebildet und gegenüber der Außenseite des Ringmagneten (82) stationär angeordnet ist.
einem Getriebe (72, 54, 56, 52) zur Umformung der Drehbewegung des Motors (74) in eine lineare Bewegung eines angetriebenen Teils (28),
mit einer an einer der drehend antreibbaren Wellen (80) des Getriebes oder des Motors (74) vorgesehenen Magnetanordnung (82),
ferner mit einer Sensoranordnung (84) zur Erfassung des Magnetfelds der Magnetanordnung (82), wenn diese zusammen mit der ihr zuge ordneten Welle (80) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung mindestens einen Ringmagneten (82) aufweist, der auf einem Außenumfang der ihm zuge ordneten Welle (80) befestigt ist und diesen umgibt,
daß der Ringmagnet (82), gleichmäßig verteilt, gleich lange Nordpol abschnitte (N) und Südpolabschnitte (S) aufweist,
und daß die magnetische Sensoranordnung (84) zur Abgabe eines Impulssignals abhängig von Größe und Richtung des Magnetfeldes des Ringmagneten (82) ausgebildet und gegenüber der Außenseite des Ringmagneten (82) stationär angeordnet ist.
9. Betätigungsglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die eine Umfangshälfte des Ringmagneten (82) als Nordpol (N) und
seine andere Umfangshälfte als Südpol (S) magnetisiert ist (Fig. 1).
10. Betätigungsglied nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Sensoranordnung (84) eine integrierte Schaltung
mit einem Hallgenerator (86) aufweist, welch letzterer bei Drehung
des Ringmagneten (82) ein Signal entsprechend dem ihm jeweils
gegenüberliegenden Pol des Ringmagneten (82) abgibt.
11. Betätigungsglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die integrierte Schaltung (Fig. 3) außerdem einen Komparator (88)
zum Umwandeln des Hallsignals in ein Impulssignal, und einen Im
pulsformer (90) aufweist.
12. Betätigungsglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (82) einen ersten
Ringmagneten (82 a) und einen zweiten Ringmagneten (82 b) aufweist,
welche auf dem Außenumfang der zugeordneten Welle (80) befestigt
sind,
und daß die magnetische Sensoranordnung einen dem ersten Ring magneten (82 a) zugeordneten ersten magnetischen Sensor (84 a) und einen dem zweiten Ringmagneten (82 b) zugeordneten zweiten magneti schen Sensor (84 b) aufweist (Fig. 7).
und daß die magnetische Sensoranordnung einen dem ersten Ring magneten (82 a) zugeordneten ersten magnetischen Sensor (84 a) und einen dem zweiten Ringmagneten (82 b) zugeordneten zweiten magneti schen Sensor (84 b) aufweist (Fig. 7).
13. Betätigungsglied nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pole des ersten Ringmagneten (82 a) zu denen des zweiten Ring
magneten (82 b) um einen vorgegebenen Winkel (Fig. 8, 9) in Dreh
richtung der zugeordneten Welle (80) versetzt sind.
14. Betätigungsglied nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der vorgegebene Winkel mindestens nahezu 90° el. beträgt (Fig. 8, 9).
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