DE4308030C2 - Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Teils - Google Patents
Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen TeilsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Erfassen der Be
wegung eines bewegbaren Teils nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus Firmenunterlagen von PHILIPS, Philips Semiconductors, KMI
10/1-Integrated Rotational Speed Sensor, SC 17, Sept. 1992, ist ein
Sensor bekannt, der die Drehzahl eines rotierenden Teils erfaßt. Als
Sensorelement wird ein Hall-Sensor eingesetzt, dessen Ausgangssignal
einer signalverarbeitenden Anordnung zugeleitet wird. Die signalver
arbeitende Anordnung enthält ein Filter zum Unterdrücken von
elektromagnetischen Störsignalen, einen Verstärker sowie einen
Schmitt-Trigger. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers schaltet
eine Stromquelle, die einen definierten Strom zwischen zwei Strom
versorgungsanschlüssen zuläßt. Eine weitere Stromquelle ist in der
Energieversorgungsschaltung des Sensors enthalten. Die weitere
Stromquelle hält den für die Energieversorgung des Sensors be
nötigten Strom auf einem konstanten Wert. Eine nicht näher be
schriebene Auswerteanordnung wertet den auf einer der beiden Strom
versorgungsleitungen fließenden Strom aus. Die von der geschalteten
Stromquelle, die vom Schmitt-Trigger angesteuert ist, eingeprägte
Stromänderung auf einer der Stromversorgungsleitungen wird in der
Auswerteanordnung in ein Drehzahlsignal umgesetzt.
Aus der DE 90 12 217 U1 ist eine Anordnung bekannt, die
einen elektromotorischen Antrieb zum Öffnen und Schließen
von Fenstern eines Kraftfahrzeugs enthält. Ein zentrales
Gerät, das Steuer- und Auswerteanordnungen aufweist, ist mit
mehreren Antriebseinheiten verbunden, die in den Türen des
Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Die Antriebseinheiten
enthalten einen Elektromotor sowie eine Sensoranordnung. Die
Sensoranordnung erfaßt eine Drehzahl des Antriebs. Zwischen
dem zentralen Gerät und jeder Antriebseinheit sind fünf
Verbindungsleitungen zur Signalübertragung und
Energieübertragung vorgesehen.
Mit der DE 35 04 622 C2 ist eine Anordnung zur
berührungslosen Messung der Geschwindigkeit eines bewegten
Mediums mit zwei Wandlern bekannt geworden, deren
Erfassungsbereiche gegeneinander versetzt sind, so daß sich
diese überlappen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Verkabelungsaufwand einer Vorrichtung zum Erfassen der
Bewegung eines bewegbaren Teils mit einem ersten Teil, das
eine Sensoranordnung enthält, und mit einem vom ersten Teil
abgesetzten zweiten Teil, das eine Auswerteanordnung
enthält, zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß
zur Signalübertragung zwischen der Sensoranordnung, die
wenigstens zwei Lagesensoren enthält, und der
Auswerteanordnung, die aus den von den Lagesensoren
abgegebenen Signalen beispielsweise eine Geschwindigkeit und
eine Bewegungsrichtung ermittelt, lediglich eine
Verbindungsleitung erforderlich ist. Die Zuweisung von
diskreten unterschiedlichen Werten zu den von den beiden
Sensoren abgegebenen Signalen ermöglicht eine einfache
Signalaufbereitung in der Sensoranordnung mittels
geschalteter Strom- oder geschalteter Spannungsquellen. Die
Signalübertragung von der Sensoranordnung zur
Auswerteanordnung ist auf wenige unterschiedliche diskrete Signal
pegel festgelegt. Mit dieser Maßnahme ist eine hohe Festigkeit
gegenüber Störsignalen erreichbar. Diese Signalübertragung ist
insbesondere für eine digitale Weiterverarbeitung des Signals
vorteilhaft.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsge
mäßen Vorrichtung ergeben sich aus Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sensoren als magnet
feldempfindliche Sensoren ausgebildet. Besonders geeignet sind
Halleffekt-Sensoren, die preisgünstig erhältlich sind und die eine
große Betriebssicherheit aufweisen.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß ein diskreter
Wert, der dem einen Sensorsignal zugeordnet ist, gegenüber dem
anderen diskreten Wert, der dem anderen Sensorsignal zugeordnet ist,
den doppelten Pegel aufweist. Mit dieser Maßnahme wird eine höchst
mögliche Detektionssicherheit der unterschiedlichen Signalpegel
erzielt.
Die Signalübertragung zwischen der Sensoranordnung und der Auswerte
anordnung ist mit einem eingeprägten Spannungs- oder einem einge
prägten Stromsignal durchführbar. Die Einprägung des Stromsignals,
vorzugsweise mittels zweier geschalteter Stromquellen, weist den
Vorteil auf, daß eingekoppelte Störspannungen oder beispielsweise
unterschiedliche Bezugspotentiale zwischen Auswerte- und Sensoran
ordnung auf die Übertragung keinen Einfluß haben.
Eine Weiterbildung der Signalübertragung mit eingeprägtem Strom
sieht den Einsatz einer Stromspiegelschaltung in der Auswertean
ordnung vor. Die Stromspiegelschaltung ermöglicht ein präzises Um
setzen des Stromsignals in ein Spannungssignal, das für die weitere
Auswertung einfacher handhabbar ist als ein Stromsignal.
Eine andere Weiterbildung betrifft die Energieversorgung der Sensor
anordnung und, sofern erforderlich, die der Sensorelemente. Die
Weiterbildung sieht eine Einbeziehung der Verkabelung eines Elektro
motors vor, der das bewegbare Teil antreibt.
Gemäß einer ersten Ausführung der Weiterbildung ist die Energiever
sorgung der Sensoranordnung über die Signalleitung sowie über
wenigstens eine der zum Elektromotor führenden Leitungen vorgesehen.
Der auf der Signalleitung fließende Strom setzt sich in dieser Aus
führung zusammen aus dem Strom für die Energieversorgung der Sensor
anordnung und aus dem für die Signalübertragung vorgegebenen Strom.
Der Vorteil dieser ersten Ausführung liegt darin, daß bei einem
vorgegebenen Kurzschluß des Elektromotors, den eine für die
Steuerung des Motors vorgesehene Steueranordnung zum raschen Ab
bremsen des Elektromotors auslösen kann, die Energieversorgung der
Sensoranordnung über die zum Motor führenden Leitungen ohne weitere
Maßnahmen sichergestellt ist. Ein gegebenenfalls vorgesehener
Energiespeicher, welcher der Sensoranordnung zugeordnet ist, kann
deshalb gering bemessen sein, oder vollständig entfallen.
Eine alternative Ausführung sieht die Energieversorgung der Sensor
anordnung über die beiden zum Elektromotor führenden Leitungen vor.
Diese Ausführung ist insbesondere geeignet für eine Vorgabe einer
eingeprägten Spannung auf der Signalleitung zur Signalübertragung,
wobei die Spannung unabhängig von einer ansonsten erforderlichen
Versorgungsspannung festlegbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines
bewegbaren Teils ist insbesondere geeignet zur Verwendung in einem
Verstellantrieb, der vorzugsweise in Kraftfahrzeugen angeordnet ist.
Die geringe Anzahl von Verbindungsleitungen zwischen dem ersten Teil
und wenigstens einem zweiten Teil bringt Kosteneinsparungen in der
Serienproduktion und erhöht die Übersichtlichkeit.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der er
findungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus weiteren Unteran
sprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines
bewegbaren Teils wird anhand der Zeichnung in der folgenden Be
schreibung näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines bewegbaren Teils, Fig.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung, Fig. 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteanordnung, Fig. 5 zeigt ein
Lagesignal in Abhängigkeit von einem Ort und Fig. 6 zeigt ein Fluß
diagramm eines in der Auswerteanordnung ablaufenden Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein erstes Teil 10 und ein vom ersten Teil 10 abge
setztes zweites Teil 11 eines elektromotorischen Antriebs. Die
beiden Teile 10, 11 sind strichliniert voneinander getrennt darge
stellt. Das erste Teil 10 enthält eine Steueranordnung 12 und eine
Auswerteanordnung 13.
Das zweite Teil enthält einen Elektromotor 14 und eine Sensoran
ordnung 15.
Die Steueranordnung 12 ist mittels zweier Verbindungsleitungen 16,
17 mit dem im zweiten Teil 11 angeordneten Elektromotor 14 ver
bunden. Eine dritte Leitung 18 verbindet die Auswerteanordnung 13
mit der im zweiten Teil 11 enthaltenen Sensoranordnung 15.
Die Steueranordnung 12 enthält erste und zweite Schaltmittel 19. 20,
welche die Verbindungsleitungen 16, 17 jeweils entweder mit einem
Betriebsspannungsanschluß 21 oder mit Masse 22 verbinden. Die Ver
bindungsleitungen 16, 17 sind jeweils mit Gleichrichterdioden 23, 24
verbunden, deren Anoden jeweils an einem ersten Stromversorgungsan
schluß 25 der Sensoranordnung 15 liegen. Zwischen dem ersten Strom
versorgungsanschluß 25 und einem zweiten Stromversorgungsanschluß 26
der Sensoranordnung 15 ist ein Kondensator 27 geschaltet. Die Sen
soranordnung 15 enthält einen Sensor 28, der in Wirkverbindung mit
dem Elektromotor 14 steht. Weiterhin ist in der Sensoranordnung 15
eine signalverarbeitende Anordnung 29 vorgesehen.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Blockschaltbild des die beiden Teile
10, 11 enthaltenden elektromotorischen Antriebs sind diejenigen
Teile, die mit den in Fig. 1 gezeigten Teilen übereinstimmen,
jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Der zweite Stromver
sorgungsanschluß 26 der Sensoranordnung 15 ist über weitere Gleich
richterdioden 30, 31 mit den Verbindungsleitungen 16, 17 verbunden.
Der zweite Stromversorgungsanschluß 26 ist jeweils an die Kathoden
anschlüsse der Dioden 30, 31 geschaltet.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in den Fig. 1 und 2
gezeigten Sensoranordnung 15. Der Sensor 28 enthält wenigstens einen
vom Elektromotor 14 angetriebenen Permanentmagneten 32, der mit
einem ersten und zweiten magnetfeldempfindlichen Element 33, 34
zusammenwirkt. Das erste Element 33 gibt ein erstes Lagesignal H1 an
einen ersten Signalspeicher 74 ab. Das erste Lagesignal H1 ist einem
ersten Lagebereich 68 zugeordnet. Das zweite Element 34 gibt ein
zweites Lagesignal H2 an einen zweiten Signalspeicher 75 ab. Das
zweite Lagesignal H2 ist einem zweiten Lagebereich 69 zugeordnet.
Die Lagebereiche 68, 69 überlappen sich in einem Gebiet 70. Aus
gangssignale der beiden Signalspeicher 74, 75 werden der
signalverarbeitenden Anordnung 29 zugeführt, die Steuersignale 35,
36 für gesteuerte Stromquellen 37, 38 bereitstellt. Zur Energiever
sorgung der magnetfeldempfindlichen Elemente 33, 34 und der signal
verarbeitenden Anordnung 29 ist eine weitere Stromquelle 39 vor
gesehen. Die weitere Stromquelle 39 gibt die Energie an einen Um
schalter 71 ab, der die Energie über die Leitungen 72, 73 jeweils
den magnetfeldempfindlichen Elementen 33, 34 weiterleitet. Der Um
schalter 71 gibt weiterhin Speichersignale 76, 77 an die Signal
speicher 74, 75 ab. Die dritte Leitung 18 führt zu einem Spannungs
regler 40, dessen Ausgang mit den Stromquellen 37, 38 sowie mit der
weiteren Stromquelle 39 verbunden ist. Der Spannungsregler 40 ist
weiterhin mit dem ersten Stromversorgungsanschluß 25 verbunden, der
zu den Anoden-Anschlüssen der Gleichrichterdioden 23, 24 führt. Die
Dioden 23, 24 sind in Fig. 3 nochmals eingetragen, um zu verdeut
lichen, daß die in Fig. 3 gezeigten magnetfeldempfindlichen
Elemente 33, 34 einschließlich der Dioden 23, 24; 30, 31 sowie die
weiteren in Fig. 3 gezeigten Funktionsblöcke bis auf den Permanent
magneten 32 innerhalb einer integrierten Schaltung untergebracht
sein können.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Auswerteanordnung 13. Die
dritte Leitung 18 führt über einen Widerstand 41 zu einer Strom
spiegelschaltung 42. Als Energiequelle ist eine Spannungswandler
schaltung 43 vorgesehen, welche die an einem Stromversorgungsan
schluß 44 liegende Spannung auf ein höheres Potential hochtrans
formiert. An einem ausgangsseitigen Arbeitswiderstand 45 tritt eine
Spannung auf, die dem über die dritte Leitung 18 fließenden Strom
entspricht. Das am Arbeitswiderstand 45 auftretende Spannungssignal
wird über eine Tiefpaßanordnung 46, die eine Widerstands-Konden
sator-Kombination 47, 48 enthält, auf eine Komparatoranordnung 49
gegeben. Die Komparatoranordnung 49 enthält drei Differenzverstärker
50, 51, 80, deren invertierender Eingang jeweils an einer vier
Widerstände 52, 53. 54, 81 enthaltenden Widerstandsteilerkette an
geschlossen sind. Die nicht invertierenden Eingänge der Differenz
verstärker 50, 51, 80 sind mit dem Tiefpaß 46 verbunden. Die
Differenzverstärker 50, 51, 80 geben Ausgangssignale an einen
Mikroprozessor 55 ab.
Fig. 5 zeigt ein über die dritte Leitung 18 übertragenes Lagesignal
90. Das Lagesignal 90 kann einen ersten Signalpegel 91, einen
zweiten Signalpegel 92, einen dritten Signalpegel 93 sowie einen
vierten Signalpegel 94 annehmen. In Fig. 5 sind weiterhin die den
unterschiedlichen Pegeln 91, 92, 93, 94 zugeordneten Lagebereiche
68, 69 sowie das Überlappungsgebiet 70 eingetragen. Bei einem ersten
Pegelwechsel P1 des ersten Lagesignals H1 ändert sich der Pegel 94
auf den ersten Pegel 91. Beim nächsten Pegelwechsel P2 ändert sich
der Pegel vom ersten Pegel 91 auf den dritten Pegel 93. Beim
nächsten Pegelwechsel ändert sich der Pegel wieder vom dritten Pegel
93 auf nunmehr den zweiten Pegel 92. Da dieser Wechsel betragsmäßig
mit dem ersten Pegel P1 übereinstimmt, wird dieser Wechsel ebenfalls
mit P1 bezeichnet. Danach ändert sich der Pegel vom zweiten Pegel 92
wieder auf den vierten Pegel 94. Da dieser Pegelwechsel mit dem
Pegelwechsel P2 betragsmäßig übereinstimmt, wird der letzte Pegel
wechsel ebenfalls mit P2 bezeichnet.
Das in Fig. 6 gezeigte Flußdiagramm liegt einem in der Auswerte
anordnung 13 realisierten Verfahren zugrunde. Mit dem Verfahren ist
die Bewegungsrichtung eines bewegbaren Teils über die Bewegung des
Permanentmagneten 32 ermittelbar. Das Flußdiagramm wird weiter unten
bei der Beschreibung des Verfahrens näher erläutert.
Zunächst wird die Funktion der in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines bewegbaren Teils er
läutert:
Die im ersten Teil 10 enthaltene Steueranordnung 12 sowie die Aus
werteanordnung 13 sind beispielsweise in einem zentralen Gerät
untergebracht, an das wenigstens ein zweites Teil 11 angeschlossen
ist. Der zweite Teil 11 ist vorzugsweise in einem Gehäuse enthalten,
das den Elektromotor 14 und die in unmittelbarer Motornähe
installierte Sensoranordnung 15 aufnimmt. Zu jedem angeschlossenen
zweiten Teil 11 führen die Verbindungsleitungen 16, 17 sowie die
dritte Leitung 18.
Die Steueranordnung 12 hat die Aufgabe, die Betriebsspannung an den
Verbindungsleitungen 16, 17 für den Elektromotor 14 derart vorzu
geben, daß der Elektromotor 14 in der einen oder in der anderen
Drehrichtung betreibbar ist. Die Steueranordnung 12 enthält die
beiden Schaltmittel 19, 20, die die Verbindungsleitungen 16, 17
entweder mit dem Betriebsspannungsanschluß 21 oder mit Masse 22
verbinden. Die Schaltmittel 19, 20 können auch derart betätigt
werden, daß beide Verbindungsleitungen 16, 17 über die Schaltmittel
19, 20 entweder gleichzeitig an Masse 22 oder gleichzeitig an den
Betriebsspannungsanschluß 21 geschaltet werden können. Der Elektro
motor 14 ist somit kurzschließbar. Mit dieser Maßnahme ist ein
rasches Abbremsen des Elektromotors 14 möglich.
Der Elektromotor 14 im zweiten Teil 11 ist zum Antreiben eines nicht
näher gezeigten bewegbaren Teils vorgesehen. Ein solches bewegbares
Teil ist beispielsweise Bestandteil eines Verstellantriebs, der
vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Das bewegbare
Teil ist beispielsweise eine Antenne, ein Faltverdeck, ein Fenster,
ein Rückspiegel, ein Teil eines Sitzes und/oder ein Schiebedach.
Über die dritte Leitung ist eine Signalübertragung vom zweiten Teil
11 zum ersten Teil 10 vorgesehen. Übertragen wird ein Signal, aus
dem die Auswerteanordnung 13 die Bewegung des bewegbaren Teils
ermitteln kann. Die Auswerteanordnung ermittelt beispielsweise die
Lage und die Geschwindigkeit oder beispielsweise die Drehzahl und
die Drehrichtung eines rotierenden Teils. In Abhängigkeit vom
ermittelten Signal erfolgt beispielsweise die Ansteuerung des
Elektromotors 14 in der einen oder in der anderen Richtung. Bei
spielsweise kann mit einem Drehzahl- und Drehrichtungssignal auch
ein Einklemmschutz realisiert werden, der das Einklemmen von Gegen
ständen oder von Körperteilen zwischen dem bewegbaren Teil und einem
anderen, ebenfalls nicht gezeigten festen Teil verhindert.
Die in der Sensoranordnung 15 enthaltene signalverarbeitende An
ordnung 29 benötigt im allgemeinen eine Energieversorgung. Auch der
Sensor 28 benötigt häufig bereits selbst eine Energieversorgung. Die
magnetfeldempfindlichen Elemente 33, 34 können ebenfalls einen
Energiebedarf aufweisen. Bei einem auf dem Hall-Effekt basierenden
magnetfeldempfindlichen Element muß ein Strom bereitgestellt werden.
Magnetoresistive Elemente müssen ebenfalls von einem Strom durch
flossen werden, damit ein Sensorsignal erhalten werden kann.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Energie
versorgung der Sensoranordnung 15 über die dritte Leitung sowie über
wenigstens eine der beiden Verbindungsleitungen 16, 17 vorgesehen.
Der erste Stromversorgungsanschluß 25 der Sensoranordnung 15 ist
über die als Gleichrichter wirkenden Dioden 23, 24 mit den zu dem
Elektromotor 14 führenden Verbindungsleitungen 16, 17 verbunden.
Zunächst ist während des Betriebs des Elektromotors 17 sicherge
stellt, daß auf einer der beiden Verbindungsleitungen 16, 17 das
benötigte Potential auftritt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist
dies das negative Potential. Aber auch in Stillstandszeiten des
Elektromotors 14 ist die Energieversorgung sichergestellt, weil die
Schaltmittel 19, 20 zumindest eine der beiden Leitungen 16, 17 mit
Masse 22 verbinden, wobei die Masse 22 dem negativen Potential
entspricht. Im Falle eines Kurzschließens des Elektromotors 14 gegen
Masse 22 führen beide Leitungen 16, 17 negatives Potential. Das
positive Potential wird der Sensoranordnung 15 über die dritte
Leitung 18 zugeleitet. Die Auswerteanordnung 13 verbindet die dritte
Leitung 18 über eine Schaltung, die anhand der Beschreibung von
Fig. 4 näher erläutert wird, mit einem Stromversorgungsanschluß,
der das passende positive Potential aufweist. Gegebenenfalls ist der
Kondensator 27 vorgesehen, der eine Energiespeicherung vornehmen
kann. Der Kondensator 27 ist zwischen dem ersten Stromversorgungs
anschluß 25 und dem zweiten Stromversorgungsanschluß 26 der Sensor
anordnung 15 geschaltet. Der zweite Stromversorgungsanschluß 26 kann
beispielsweise intern unmittelbar mit der dritten Leitung 18 ver
bunden sein. Die Energiespeicherung im Kondensator 27 für eine kurze
Zeit kann in dem Betriebszustand erforderlich sein, der dann gegeben
ist, wenn die beiden Schaltmittel 19, 20 zum Abbremsen des Elektro
motors 14 die beiden Verbindungsleitungen 16, 17 gleichzeitig mit
dem Betriebsspannungsanschluß 21 verbinden, der positives Potential
führt. Der Kondensator 27 muß in diesem Fall für die Sensoranordnung
15 noch so lange Energie bereitstellen, bis der Elektromotor 15 ab
gebremst ist. Mit anderen Maßnahmen, die anhand des in Fig. 4 ge
zeigten Schaltbildes näher erläutert sind, kann der Kondensator 27
auch in diesem Betriebsfall vollständig entfallen.
Der Unterschied zwischen den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Aus
führungsformen des elektromotorischen Antriebs liegt im wesentlichen
darin, daß bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung die Energiever
sorgung für die Sensoranordnung vollständig über die beiden zum
Elektromotor 14 führenden Verbindungsleitungen 16, 17 erfolgt. Die
Gleichrichterdioden 23, 24 stellen am ersten Stromversorgungsan
schluß 25 negatives und die Gleichrichterdioden 30, 31 am zweiten
Stromversorgungsanschluß positives Potential zur
Verfügung. Die Energieversorgung ist stets während des Betriebs des
Elektromotors 14 sichergestellt. Um auch bei einem gegebenenfalls
vorgesehenen Kurzschließen des Elektromotors 14 eine genügende
Energiereserve bereithalten zu können, ist der Kondensator 27 zur
Energiespeicherung stets dann erforderlich, wenn auch während des
Abbremsvorgangs des Elektromotors 14 die Sensoranordnung 15 Signale
an die Auswerteanordnung 13 übertragen soll. In einer Ausgestaltung
der in Fig. 2 gezeigten Ausführung des elektromotorischen Antriebs
ist vorgesehen, daß die Sensoranordnung 15 die Spannung an der
dritten Leitung 18 einprägt. Diese Ausgestaltung ist dadurch
möglich, daß auf der dritten Leitung 18 nur noch die Signalüber
tragung vom zweiten Teil 11 zum ersten Teil 10 stattfindet. Ein
weiterer Vorteil der Ausführung ergibt sich durch die wahlfreie
Festlegung der auf der dritten Leitung 18 übertragenen Signalpegel,
gleichgültig ob Strom oder Spannung, die eine einfache und sichere
Auswertung ermöglicht.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Sensoranordnung 15 ist als Sensor 28
beispielhaft ein Magnetfeldsensor zugrundegelegt. Der Sensor 28 mit
den beiden magnetfeldempfindlichen Elementen 33, 34, vorzugsweise
Hall-Elemente, geben die Lagesignale H1, H2 an die Signalspeicher
74, 75 in Abhängigkeit von der Stellung des Permanentmagneten 32 ab.
Der Sensor 28 ermöglicht die Bereitstellung eines Drehzahlsignals,
eines Lagesignals und eines Drehrichtungssignals. Die Lagesignale H1, H2
werden an die Signalspeicher 74, 75 abgegeben, die in Ab
hängigkeit vom Speichersignal 76, 77 die Lagesignale H1, H2 für eine
vorgegebene Zeit speichern. Die Speichersignale 76, 77 stellt der
Umschalter 71 bereit, der auch die Energieversorgung der magnet
feldempfindlichen Elemente 33, 34 über die Leitungen 72, 73 steuert.
Die Stromaufnahme der als Hall-Sensoren realisierten magnetfeld
empfindlichen Elemente 33, 34 wird im wesentlichen durch den Quer
strom in den Elementen 33, 34 festgelegt. Der Umschalter 71
schaltet die Versorgungsspannung zwischen den beiden Elementen 33,
34 in periodischen Zeitabständen um. Die Signalauswertung erfolgt
nur bei dem gerade mit Energie versorgten Element 33, 34. Während
das jeweils andere Element 33, 34 mit Energie versorgt ist, wird das
Lagesignal H1, H2 im Signalspeicher 74, 75 zwischengespeichert. Die
zeitgleiche Steuerung der Signalspeicher 74, 75 mit der Umschaltung
der Energieversorgung erfolgt im Umschalter 71. Die Frequenz für die
Umschaltung der Energieversorgung zwischen den magnetfeldempfind
lichen Elementen 33, 34 sollte wenigstens doppelt so hoch gewählt
werden als die Frequenz der zu erwartenden Zustandsänderungen des
Sensors 28. Der wesentliche Vorteil dieser Maßnahme ist die Redu
zierung der Gesamtenergieaufnahme, die sich besonders vorteilhaft
durch die damit verbundene Reduzierung des über die dritte Leitung
18 zu transportierenden Stroms bemerkbar macht.
Die signalverarbeitende Anordnung 29 gibt mit Steuersignalen 35, 36
entweder die an der dritten Leitung 18 liegende Spannung oder den
über die dritte Leitung 18 fließenden Strom vor. Im gezeigten Aus
führungsbeispiel steuert die signalverarbeitende Anordnung 29 zwei
Stromquellen 37, 38 an, die auf unterschiedliche diskrete Stromwerte
fest eingestellt sind. Die signalverarbeitende Anordnung 29 enthält
beispielsweise Verstärkerschaltungen, Komparatoren, Filter
schaltungen zum Unterdrücken von Störungen oder Treiberschaltungen.
Sofern die von den Sensorelementen 33, 34 abgegebenen und gegebenen
falls zwischengespeicherten Lagesignale H1, H2 unmittelbar geeignet
sind, die Quellen 37, 38 anzusteuern, kann die signalverarbeitende
Anordnung 29 auch vollständig entfallen. Die von den Quellen 37, 38
vorgegebenen Ströme addieren sich auf der dritten Leitung 18.
Mit der gezeigten Anordnung sind demnach die in Fig. 5 gezeigten
vier unterschiedlichen Pegel 91, 92, 93, 94 vorgebbar. Bei der Vor
gabe des über die dritte Leitung 18 fließenden Stroms ist es er
forderlich, daß der zur Energieversorgung der signalverarbeitenden
Anordnung 29 und der magnetfeldempfindlichen Elemente 33, 34 er
forderliche Strom einen bekannten Wert aufweist, der in der Aus
werteanordnung 13 berücksichtigt werden kann. Vorteilhafterweise ist
deshalb in der Sensoranordnung 15 die weitere Stromquelle 39 ange
ordnet, die den Versorgungsstrom unabhängig von der Spannung fest
hält.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht den Einsatz des Spannungs
reglers 40 vor. Der Spannungsregler 40 gibt einerseits eine feste
Betriebsspannung für die Sensoranordnung 15 und die magnetfeld
empfindlichen Elemente 33, 34 vor. Andererseits reduziert er Stör
spannungseinflüsse. Solche Störungen sind beispielsweise negative
Impulse, die beim Abschalten des Elektromotors 14 über die Dioden
23, 24 in die Sensoranordnung 15 eingekoppelt werden.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Auswerteanordnung 13
enthält eingangsseitig die Stromspiegelschaltung 42, die den über
die dritte Leitung 18 fließenden Strom in eine entsprechende Aus
gangsspannung am Arbeitswiderstand 45 umsetzt. Der eingangsseitig
vorgesehene Widerstand 41 begrenzt den über die dritte Leitung 18
fließenden Strom auf einen von der Betriebsspannung abhängigen
Maximalwert und erfüllt somit eine Schutzfunktion. Die Stromspiegel
schaltung 42 ist beispielsweise in dem Fachbuch von U. TIETZE und
CH. SCHENK, "Halbleiterschaltungstechnik", 5. Auflage,
Springer-Verlag, 1980, Seiten 54 und 112 näher erläutert, so daß
eine detaillierte Schaltungsbeschreibung hier nicht erforderlich
ist. Das am Arbeitswiderstand 45 auftretende Signal gelangt über die
Tiefpaßanordnung 46 an die Komparatoranordnung 49. Die
Tiefpaßanordnung 46, die im einfachsten Fall als Widerstands-Konden
sator-Kombination 47, 48 als Tiefpaß erster Ordnung realisiert ist,
reduziert gegebenenfalls eingekoppelte hochfrequente Störungen auf
ein unschädliches Maß. Anstelle eines Tiefpasses erster Ordnung ist
es auch möglich, einen Tiefpaß höherer Ordnung oder eine Bandfilter
schaltung vorzusehen. Die Komparatoranordnung 49 ermöglicht die
Detektion der vier unterschiedlichen Signalpegel 91, 92, 93, 94. Die
einzelnen Pegel sind durch die als Spannungsteiler geschalteten
Widerstände 52, 53, 54, 81 festgelegt. Anzapfungen des Spannungs
teilers sind mit den invertierenden Eingängen der drei Differenzver
stärker 50, 51, 80 verbunden. Die Ausgangssignale der drei
Differenzverstärker 50, 51, 80 sind Eingangsports des Mikroprozes
sors 55 zugeleitet, der die weitere Signalauswertung und Signalver
arbeitung vornimmt. Der Mikroprozessor 55 ermittelt beispielsweise
eine Drehzahl und eine Drehrichtung oder eine abgeleitete Größe
daraus.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht den Einsatz der
Spannungswandlerschaltung 43 vor. Die Spannungswandlerschaltung 43,
deren Schaltung beispielsweise aus dem bereits zitierten Fachbuch
von U. TIETZE und CH. SCHENK bekannt ist, erhöht die am Stromver
sorgungsanschluß 44 liegende Spannung auf einen höheren Wert. Der
Stromversorgungsanschluß 44 liegt im allgemeinen auf demselben
Potential wie der Betriebsspannungsanschluß 21 für die Betriebs
spannung des Elektromotors 14. Die Spannungswandlerschaltung 43
ermöglicht deshalb auch dann noch eine sichere Energieversorgung der
Sensoranordnung 15 und der magnetfeldempfindlichen Elemente 33, 34,
wenn die beiden Schaltmittel 19, 20 den Elektromotor gleichzeitig
mit dem ersten Betriebsspannungsanschluß 21 zum Kurzschließen des
Motors verbinden. Eine andere Möglichkeit, die Energieversorgung der
Sensoranordnung 15 sicherzustellen, wenn die beiden Schaltmittel 19,
20 zum Abbremsen des Elektromotors 14 die beiden Verbindungs
leitungen 16, 17 gleichzeitig mit dem Betriebsspannungsanschluß 21
verbinden, besteht darin, die Polarität auf der dritten Verbindungs
leitung 18 zu ändern. Über die dritte Leitung wird das negative
Potential übertragen, während über wenigstens eine der beiden Ver
bindungsleitungen 16, 17 das positive Potential bereitgestellt wird.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel muß die Polarität
der Dioden 23, 24 geändert werden. Der erste Stromversorgungsan
schluß 25 der Sensoranordnung 15 ist mit den Kathodenanschlüssen der
Dioden 23, 24 zu verbinden. Weiterhin ist in der Auswerteanordnung
13 die Stromspiegelschaltung 42 in ihrer Polarität zu ändern. An
stelle der in Fig. 4 gezeigten PNP-Transistoren werden NPN-Tran
sistoren eingesetzt, deren Emitter jeweils an Masse 22 liegen. Der
Arbeitswiderstand 45 ist mit dem Stromversorgungsanschluß 44 zu ver
binden.
Anstelle der in Fig. 4 gezeigten Komparatoranordnung 59 ist es auch
möglich, das vom Tiefpaß 46 abgegebene Signal einem Analog/Digi
tal-Wandler zuzuleiten. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt
darin, daß ein im Mikroprozessor 55 gegebenenfalls bereits vor
handener Analog/Digital-Wandler eingesetzt werden kann. In dieser
Ausgestaltung kann dann die Komparatoranordnung 49 vollständig ent
fallen.
In Fig. 5 ist das über die dritte Leitung 18 übertragene Lagesignal
90 gezeigt. Die signalverarbeitende Anordnung 29 ordnet den ihr
zugeführten, gegebenenfalls in den Signalspeichern 74, 75 zwischen
gespeicherten Lagesignalen H1, H2 die unterschiedlichen Signalpegel
91, 92, 93, 94 zu. Der erste Pegel 91 wird dem vom ersten magnet
feldempfindlichen Element 33 erfaßten ersten Lagebereich 68 zuge
ordnet. Der zweite Signalpegel 92 wird dem vom zweiten magnetfeld
empfindlichen Element 34 erfaßten zweiten Lagebereich 69 zugeordnet.
Außerhalb der beiden Lagebereiche 68, 69 tritt der vierte
Signalpegel 94 auf. Beim Auftreten des Überlappungsgebiets 70, bei
dem beide magnetfeldempfindlichen Elemente 33, 34 ein entsprechendes
Lagesignal H1, H2 abgeben, ist der dritte Signalpegel 93 zugeordnet.
Die Auswertung des Lagesignals 90 in der Auswerteanordnung 13 ist
besonders einfach realisierbar, wenn der erste Pegel 91 und der
zweite Pegel 92 diskrete unterschiedliche Werte sind. Eine besonders
einfache Auswertung wird möglich, wenn der erste Pegel 91 gegenüber
dem zweiten Pegel 92 wenigstens näherungsweise den doppelten Wert
aufweist. Anstelle des in Fig. 5 gezeigten Lagesignals 90, bei dem
die Pegel 91, 92, 93, 94 auf den vierten Pegel 94 als Grundpegel
bezogen sind, ist es auch möglich, die Basis für den ersten Pegel 91
unabhängig von der Basis des zweiten Pegels 92 festzulegen. Wesent
lich ist jedoch, daß unterschiedliche Pegelübergänge P1, P2 auf
treten in Abhängigkeit von der Drehrichtung, in welcher das Über
lappungsgebiet 70 erreicht wird.
Das Verfahren zur Erfassung der Bewegung, beispielsweise der Dreh
zahl und der Drehrichtung eines bewegbaren Teils aus dem in Fig. 5
gezeigten Lagesignal 90 wird anhand des in Fig. 6 gezeigten Fluß
diagramms näher erläutert:
In einer Abfrage 100 wird erkannt, ob ein Pegelwechsel P1, P2 statt
gefunden hat. Falls ein Wechsel stattgefunden hat, wird in einer
nächsten Abfrage 101 festgestellt, ob ein P1-Pegelwechsel stattge
funden hat. Falls dies der Fall ist, wird zu einer Abfrage 102
weitergegangen, in der festgestellt wird, ob der P1-Pegelwechsel
positiv war. Falls dies zutrifft, wird einem Merksignal in einer
Zuweisung 103 der Wert 1 zugewiesen. Falls der P1-Pegelwechsel
negativ war, wird in einer Zuweisung 104 dem Merksignal der Wert 0
zugewiesen. Nach den Zuweisungen 103, 104 springt das Programm
wieder zur Abfrage 100 zurück.
Falls in der nächsten Abfrage 59 festgestellt wird, daß kein
P1-Pegelwechsel stattgefunden hat, muß zwangsläufig ein P2-Pegel
wechsel stattgefunden haben. Das Programm prüft deshalb in der Ab
frage 105, ob der P2-Pegelwechsel positiv war. Falls dies zutrifft,
wird in der Abfrage 106 nachgesehen, ob das Merksignal den Wert 1
hat. Ist dies der Fall, wird in der Zuweisung 107 ermittelt, daß
eine erste Bewegungsrichtung vorgelegen hat. Anschließend springt
das Programm zur Abfrage 100 zurück. Falls das Merksignal den Wert 0
aufgewiesen hat, wird zu einem Knoten 108 weitergegangen, der zu
einer Zuweisung 109 führt, in der festgehalten wird, daß die ent
gegengesetzte Bewegungsrichtung aufgetreten ist. Danach springt das
Programm zur Abfrage 100 zurück. Falls in der Abfrage 105 festge
stellt wird, daß der P2-Pegelwechsel negativ war, wird zur Abfrage
110 weitergegangen, in der festgestellt wird, ob das Merksignal den
Wert 1 aufweist. Falls dies nicht zutrifft, wird zur Zuweisung 111
gegangen, in der ermittelt wird, daß die erste Bewegungsrichtung
aufgetreten ist. Danach springt das Programm zur Abfrage 100 zurück.
Falls das Merksignal den Wert 1 aufweist, wird über den Knoten 108
zur Zuweisung 109 weitergegangen, in der wieder festgehalten wird,
daß die andere Bewegungsrichtung aufgetreten ist.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines bewegbaren
Teils, mit einem ersten Lagesensor, der ein Signal
abgibt, das wenigstens einem ersten Lagebereich des
bewegbaren Teils zugeordnet ist, und mit einem zweiten
Lagesensor, der ein Signal abgibt, das wenigstens einem
zweiten Lagebereich des bewegbaren Teils zugeordnet ist,
wobei die beiden Lagebereiche ein Überlappungsgebiet
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß den von den
Lagesensoren (33, 34) abgegebenen Lagesignalen (H1, H2)
diskrete unterschiedliche Werte zugeordnet sind und daß
die addierten Werte über eine Leitung (18) zu einer
Auswerteanordnung (13) geführt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Lagesensoren (33, 34) magnetfeldempfindliche
Elemente, vorzugsweise Halleffektsensoren eingesetzt
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem einen Lagesignal (H1) der doppelte diskrete Wert
gegenüber dem anderen Lagesignal (H2) zugeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Addition der diskreten Werte zwei gesteuerte
Stromquellen (37, 38) vorgesehen sind, die jeweils einen
vorgegebenen Strom auf der Leitung (18) einprägen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
in der mit der Leitung (18) verbundenen Auswerteanordnung
(13) eine Stromspiegelschaltung (42) enthalten ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
in der mit der Leitung (18) verbundenen Auswerteanordnung
(13) eine Schaltung (43) zur Erhöhung der Spannung auf
der Leitung (18) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetfeldempfindlichen Elemente (33, 34) in einer
integrierten Schaltung enthalten sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Umschalter (71) zur Umschaltung der Energieversorgung
der Lagesensoren (33, 34) in zeitlicher Folge vorgesehen
ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Antreiben des bewegbaren Teils ein Elektromotor (14)
vorgesehen ist und daß eine Energieversorgung der
Sensoranordnung (15) sowohl über die Leitung (18) als
auch über wenigstens eine zum Elektromotor (14) führende
Verbindungsleitung (16, 17) vorgenommen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Antreiben des bewegbaren Teils ein Elektromotor (14)
vorgesehen ist und daß eine Energieversorgung der
Sensoranordnung (15) über die beiden zum Elektromotor
(14) führenden Verbindungsleitungen (16, 17) vorgenommen
ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Verwendung in einem Stellantrieb, der vorzugsweise in
einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
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