DE60005581T2 - Magnetische Positions- und Richtungserfassung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Verwendung von magnetischen Dektoren zum Bestimmen der Position und der Richtung einer Scheibe, die magnetische Pole trägt, und insbesondere die Verwendung eines Netzes von mehreren magnetischen Detekoren, um die Position und/oder die Richtung zu bestimmen.
  • Es ist bereits bekannt, mehrere magnetische Aufnehmer in der Nähe eines magnetischen Feldes eines multipolaren Magneten anzuordnen, um die Position und die Richtung einer Scheibe zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Kette von Hall-Effektvorrichtungen dazu dienen, Signale zu erzeugen, die addiert werden, um eine Sinuswelle zu erzeugen, die für das mittlere Magnetfeld am multipolaren Magneten repräsentativ ist. Durch Addieren der Signale der Detektorelemente der ersten Hälfte der Hall-Kette und durch Abziehen der Summe der Signale der Detektorelemente der zweiten Hälfte der Hall-Kette erhält man eine kosinusförmige Welle, d. h. eine sinusförmige Welle, die um 90° im Verhältnis zur sinusförmigen Welle versetzt ist. Die sinusförmige und die kosinusförmige Welle können verwendet werden, um die Position und die Richtung einer Scheibe zu bestimmen, die mit dem multipolaren Magneten versehen ist.
  • Vorrichtungen dieses Typs sind bei der Bestimmung der Position der Scheibe insofern wirkungsvoll, als damit Fehler reduziert werden können, die durch Variationen der Magnetfelder oder des Abstandes der magnetischen Pole verursacht werden. Jedoch erfordern die bekannten Vorrichtungen und Verfahren, daß die Kette der Detektorvorrichtungen eine Länge aufweist, die präzise dem Abstand der Pole des multipolaren Magneten entspricht, mit dem die magnetischen Detektoren verwendet werden müssen. Darüber hinaus wird das Magnetfeld durch ein externes Magnetfeld beispielsweise so polarisiert, daß die magnetischen Nordpole verstärkt und die magnetischen Südpole abgeschwächt werden, wodurch die sinusförmige und die kosinusförmige Kurve verschoben werden und wobei auch die Nullpunkte nicht mehr regelmäßig voneinander beabstandet sind. Im einen oder im anderen Fall induziert die Behandlung der Signale der sinusförmigen und kosinusförmigen Welle Fehler bei der Messung der Position.
  • Das voranstehend Beschriebene veranschaulicht die bekannten Beschränkungen bei den aktuellen Vorrichtungen und Verfahren. Somit erscheint es vorteilhaft, eine Abwandlung mit der Absicht vorzuschlagen, eine oder mehrere der oben dargestellten Beschränkungen zu unterbinden. Folglich wird eine geeignete Abwandlung vorgeschlagen, welche Anordnungen umfaßt, die im Nachfolgenden umfassend beschrieben werden.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird dieses Ergebnis dadurch erhalten, indem ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder der Richtung einer Scheibe vorgeschlagen wird, wobei die Scheibe eine Reihe von magnetischen Polen aufweist, wobei der Abstand zwischen den Polen d beträgt. Das Verfahren besteht aus: Vorsehen eines Gitters einer geraden Zahl von magnetischen Detektoren mit einer Entfernung x zwischen den Detektoren, wobei das Gitter von Detektoren eine effektive Anfangslänge (N–1)x aufweist, wobei diese effektive Anfangslänge des Gitters von Detektoren größer ist als die Entfernung d zwischen den Polen (oder auch größer als zweimal der Abstand d zwischen den Polen); Deaktivieren einer Anzahl von magnetischen Detektoren in einer Weise, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, zueinander benachbart sind und eine neue effektive Länge des Gitters von Detektoren bilden, die näher am Abstand d zwischen den Polen ist als die effektive Anfangslänge des Gitters von Detektoren; Unterteilen der magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, in zwei gleiche Gruppen A und B, die zumindest einen benachbarten magnetischen Detektor für die Verarbeitung der Signale aufweisen; Addieren der Signale der Gruppe A und Addieren der Signale der Gruppe B; Hinzufügen der Summe der Signale der Gruppe B zur Summe der Signale der Gruppe A, um eine sinusförmige Welle zu erhalten; und Subtrahieren der Summe der Signale der Gruppe B von der Summe der Signale der Gruppe A, um eine kosinusförmige Welle zu erhalten.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird dieses Ergebnis erhalten, indem ein Verfahren vorgeschlagen wird, das ein Verstärkungsmittel umfaßt, um die Amplitude einer sinusförmigen Welle mit der einer kosinusförmigen Welle auszugleichen.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird dieses Ergebnis dadurch erhalten, daß eine ASIC-Schaltung vorgesehen wird, die ein Gitter mit einer geraden Anzahl von magnetischen Detektoren, ein Auswahlmittel, um selektiv eine gerade Anzahl von magnetischen Detektoren in einer Weise zu deaktivieren, daß die verbleibenden magnetischen Detektoren zueinander benachbart sind; und ein Verarbeitungsmittel für die Signale der verbleibenden magnetischen Detektoren, um eine sinusförmige und eine kosinusförmige Welle zu erzeugen, umfaßt.
  • Die vorangehenden Gesichtspunkte, sowie andere Gesichtspunkte werden mit Hilfe der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung verständlich werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist.
  • 1 zeigt ein Schema, das einen multipolaren Magneten und ein Gitter von magnetischen Detektoren gleichzeitig mit der sinusförmigen und der kosinusförmigen Welle, die durch die Verarbeitung der Signale der magnetischen Detektoren erzeugt werden, zeigt, wenn die effektive Länge des Gitters von Detektoren an den Abstand zwischen den magnetischen Polen gemäß der früheren Technik angepaßt ist.
  • 2 ist ein zu dem der 1 analoges Schema, wobei jedoch die effektive Länge des Gitters von Detektoren an das Doppelte des Abstandes zwischen den magnetischen Polen angepaßt ist.
  • Die 3, 5 und 7 sind zu dem der 1 analoge Schemen, wobei jedoch die effektive Länge des Gitters von Detektoren größer ist als der Abstand zwischen den magnetischen Polen, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zu veranschaulichen.
  • Die 4, 6 und 8 sind zu dem der 1 analoge Schemen, wobei jedoch die effektive Länge des Gitters von Detektoren größer ist als das Doppelte des Abstandes zwischen den magnetischen Polen, um ein zu dem der 3, 5 und 7 analoges Verfahren zu veranschaulichen.
  • 9 ist ein zu dem von der 3 analoges Schema, wobei jedoch die effektive Länge des Gitters von Detektoren größer ist als der Abstand zwischen den magnetischen Polen vor einer Verarbeitung der Signale, gemäß einem anderen Verfahren der Erfindung.
  • 10 ist ein zu dem der 4 analoges Schema, wobei jedoch die effektive Länge des Gitters von Detektoren größer ist als der Abstand zwischen den magnetischen Polen vor einer Verarbeitung der Signale gemäß einem anderen Verfahren der Erfindung.
  • 11 ist ein Prinzipschaltbild einer ASIC-Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, Integrierte Schaltung, die für eine spezifische Anwendung konzipiert ist), das eine erfindungsgemäße Vorrichtung veranschaulicht, um die Position und/oder die Richtung einer Scheibe zu bestimmen, die mit einem multipolaren Magneten versehen ist.
  • Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 veranschaulicht einen multipolaren Magneten 10 mit einem Abstand d zwischen den Polen, der an ein Gitter 12 aus magnetischen Detektoren gemäß der oben beschriebenen früheren Technik angepaßt ist. Durch Addieren der Signale der magnetischen Detektoren A der ersten Hälfte des Gitters 12 und der Summe der Signale der magnetischen Detektoren B der zweiten Hälfte des Gitters 12 erhält man eine sinusförmige Welle, die Nulldurchgänge auf einer Achse 16 aufweist. Durch Addieren der Signale der magnetischen Detektoren A der ersten Hälfte des Gitters 12 und Subtrahieren der Summe der Signale der magnetischen Detektoren B der zweiten Hälfte des Gitters 12 erhält man eine kosinusförmige Welle 18, die Nulldurchgänge auf einer Achse 20 aufweist.
  • In 1 entspricht die erste Halbperiode der sinusförmigen (oder kosinusförmigen) Welle der effektiven Länge des Gitters 12. Es ist bekannt, daß die effektive Länge des Gitters 12 (N–1)x beträgt, wobei N die Anzahl der magnetischen Detektoren ist und x der Abstand zwischen den Detektoren. In der Figur ist die Zahl N somit 20. Die effektive Länge des Gitters kann im Verhältnis zu dieser berechneten Länge verkürzt werden, wenn das Gitter im Verhältnis zur Orientierung des multipolaren Magneten schräg ist. In 1 ist die Länge des Gitters gleich dem Abstand d zwischen den Polen.
  • 2 zeigt einen multipolaren Magneten 22 mit einem Abstand d zwischen den Polen, der gleich der effektiven Länge (N–1)x eines Gitters 24 von magnetischen Detektoren ist. Durch Addieren der Signale der magnetischen Detektoren A und D des ersten und vierten Viertels des Gitters 24 und durch Subtrahieren der Summe der Signale der magnetischen Detektoren B und C des zweiten und dritten Viertels des Gitters 24 erhält man eine sinusförmige Welle 26, deren Nulldurchgänge auf der Achse 28 liegen. Durch Addieren der Signale der magnetischen Detektoren A und B und durch Subtrahieren der Summe der Signale der magnetischen Detektoren C und D erhält man eine kosinusförmige Welle 30, deren Nulldurchgänge auf der Achse 32 liegen. Eine ganze Periode der sinusförmigen (oder kosinusförmigen) Welle entspricht der Länge des Gitters 12.
  • Bei der Erfindung kann ein Gitter aus magnetischen Detektoren (wie etwa von Hall-Effektvorrichtungen) verwendet werden, um entweder die Halbperiode einer Scheibe mit einem multipolaren Magneten oder eine ganze Periode eines multipolaren Magneten zu detektieren. Die Detektion einer ganzen Periode ist deswegen vorteilhaft, weil sie die Unbeständigkeiten der Länge oder der Intensität der individuellen Pole des Magneten mittelt und zuläßt, die Pole mit einer größeren Präzision und einer größeren Wiederholbarkeit zu teilen. Diese Technik der ganzen Periode weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß jede Art von polarisierenden Magnetfeldern, die durch das gesamte Gitter wahrgenommen werden, ausgeschlossen werden und auch das elektrische Rauschen in allgemeiner Weise ausgeschlossen wird. Somit ist es möglich, sogar einen Magneten zu verwenden, bei dem die Gefahr besteht, daß er ein festes oder progressiv variables Polarisationsfeld hat, und die Gesamtheit des Magneten und der Detektoren in einem Magnetfeld anzuordnen, ohne daß dem sinusförmigen oder kosinusförmigen Signal am Ausgang der Schaltung geschadet wird.
  • Wie in den 3 bis 10 dargestellt ist, wird erfindungsgemäß ein Gitter vorgeschlagen, um magnetische Pole unterschiedlicher Längen zu detektieren, indem die magnetischen Detektoren an den Enden des Gitters weggelassen bzw. annulliert werden. Die letzteren werden zu zweit bei der Technik mit einem einzigen Pol und zu viert bei der Technik mit zwei Polen annulliert. Oder es kann auch eine gleiche Zahl magnetischer Detektoren an einem einzigen Ende des Gitters annulliert werden. Diese Annullierung der magnetischen Detektoren ermöglicht es, die verbleibenden aktiven magnetischen Detektoren zu gruppieren, um sie näherungsweise entweder an den Abstand d zwischen den Polen oder an das Doppelte des Abstandes d zwischen den Polen anzupassen. Die Verarbeitung der Signale ist somit mit der mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Verarbeitung analog.
  • Wenn die effektive Länge des Gitters der Detektoren aus dieser Unterdrückung der aktiven magnetischen Detektoren entweder nicht ausreichend nahe am Abstand d zwischen den Polen oder am Doppelten des Abstandes d zwischen den Polen ist, sind die sinusförmige Welle und die kosinusförmige Welle, die so gebildet werden, nicht abgeglichen. Beispielsweise kann die sinusförmige Welle 50 oder 60 eine Amplitude aufweisen, die unter 1 liegt und die sinusförmige Welle 52 oder 62 kann eine Amplitude über 1 aufweisen, wie es die 9 und 10 zeigen. Um eine präzise Anpassung zu erreichen, ermöglicht ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung eine elektrische Synchronisation der effektiven Länge des Gitters der Detektoren, so daß diese zwischen den festen Längen der Pole wirksam ist, die durch die Zahl der magnetischen Detektoren und ihren Abstand festgelegt sind. Wenn die Länge des Gitters nicht an die Länge der Pole angepaßt ist, werden mit den Addierungen, welche die sinusförmigen und kosinusförmigen Signale bilden, weiterhin sinusförmige und kosinusförmige Signale erzeugt, die jedoch eine größere oder kleinere Amplitude aufweisen. Ein Verstärkungsmittel, daß einen Proportionalitätskoeffizienten oder eine Verstärkung erzeugt, wird zwischen den Additionsschaltungen und den Schaltungen, die das sinusförmige Signal und das kosinusförmige Signal trennen, vorgesehen. Dieser Verstärkungskoeffizient fixiert die Amplituden des sinusförmigen Signals und des kosinusförmigen Signals auf den gleichen Wert und ermöglicht es, einen Pol mit einer beliebigen Größe zu verwenden.
  • Eine Zusatzvorrichtung der Erfindung macht die Verwendung dieser verstärkungsseitigen Anpassungstechnik ausführbar. Bei einer Anwendung beeinflußt die Drehung des Netzes oder die Versetzung der radialen Position des Gitters von Detektoren auf einer radialen Scheibe die effektive Länge des durch das Gitter wahrgenommenen Pols. Die Deadaptierung zwischen der effektiven Länge des Gitters und der effektiven Länge der Pole führt zu einem kosinusförmigen und einem sinusförmigen Signal mit unterschiedlichen Amplituden. Es ist wichtig, die Verstärkung des sinusförmigen Signals und des kosinusförmigen Signals in der ASIC-Schaltung so gut wie möglich anzupassen, um die beste Qualität des Signals zu erhalten, das an den Multiplikatorteil der Schaltung angelegt wird. Um die Schaltung des Gitters von Detektoren in einer Anwendung einstellbar zu machen, ist ein provisorischer Zugriff auf dieses sinusförmige oder kosinusförmige Signal vorzugsweise dann erforderlich, sobald die Schaltung des Gitters der Detektoren in ihrer endgültigen funktionsmäßigen Position angeordnet ist.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren vor, um das sinusförmige und das kosinusförmige Signal aus der Schaltung zu leiten, wobei eine notwendige Signalleitung zum Benutzer geteilt wird. Diese Anordnung ermöglicht eine direkte Feineinstellung des sinusförmigen Signals und des kosinusförmigen Signals, um den exakten Abstand zwischen den Polen nach einer Montage zu fixieren. Die Verwendung einer bestehenden Signalleitung vermindert den Kostenpreis und die Anzahl der Signalleitungen. Die Verwendung einer einzigen Leitung unterdrückt jede mögliche Deadaption der Verstärkung, die mit der Verwendung zweier un terschiedlicher Signalleitungen für das sinusförmige Signal und das kosinusförmige Signal verbunden sein könnte. Die Gesamtheit der Detekoren kann in einer Anwendung nach der Montage programmiert werden, um eine maximale Leistungsfähigkeit zu erhalten. Nach der Programmierung kann die Leitung, die verwendet wurde, um die Niveaus der Signale zu verifizieren, reprogrammiert werden, um eine unterschiedliche Funktion für den Benutzer zu erhalten.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Position und/oder der Orientierung einer Scheibe, wobei die Scheibe eine Reihe von magnetischen Polen mit einer Entfernung d zwischen den magnetischen Polen trägt, wobei das Verfahren besteht aus: Vorsehen eines Gitters (12, 22) einer geraden Anzahl N von magnetischen Detektoren mit einer Entfernung x zwischen den Detektoren, wobei das Gitter von Detektoren eine effektive Anfangslänge (N–1)x aufweist, die größer ist als die Entfernung d zwischen den Polen; Deaktivieren einer geraden Anzahl von magnetischen Detektoren in einer Weise, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, zueinander benachbart sind und eine neue effektive Länge des Gitters von Detektoren bilden, die näher an der Entfernung d zwischen den Polen ist als die effektive Anfangslänge des Gitters von Detektoren; Unterteilen der magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, in zwei gleiche Gruppen A und B, die zumindest einen benachbarten magnetischen Detektor für die Verarbeitung von Signalen aufweisen; Addieren der Signale der Gruppe A und Addieren der Signale der Gruppe B; Hinzufügen der Summe der Signale der Gruppe B zur Summe der Signale der Gruppe A, um eine sinusförmige Welle zu erhalten; und Subtrahieren der Summe der Signale der Gruppe B von der Summe der Signale der Gruppe A, um eine cosinusförmige Welle zu erhalten.
  2. Verfahren zum Bestimmen der Position und/oder der Richtung einer Scheibe, wobei die Scheibe eine Reihe von magnetischen Polen mit einer Entfernung d zwischen den magnetischen Polen aufweist, wobei das Verfahren besteht aus: Vorsehen eines Gitters einer geraden Anzahl von magnetischen Detektoren mit einer Entfernung x zwischen den Detektoren, wobei das Gitter von Detektoren eine effektive Anfangslänge (N–1)x aufweist, die größer ist als das Doppelte der Entfernung d zwischen den Polen; Deaktivieren einer geraden Anzahl von magnetischen Detektoren in einer Weise, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, zueinander benachbart sind und eine neue effektive Länge des Gitters von Detektoren bilden, die näher an der Entfernung zwischen den Polen d ist als die effektive Anfangslänge des Gitters von Detektoren; Unterteilen der magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, in vier gleiche Gruppen A, B, C und D mit zumindest einem benachbarten magnetischen Detektor für die Behandlung der Signale; Addieren der Signale jeder der vier Gruppen von magnetischen Detektoren; Subtrahieren der Summe der Signale der Gruppen A und D von der Summe der Signale der Gruppen B und C, um eine sinusförmige Welle zu erhalten; und Subtrahieren der Summe der Signale der Gruppen C und D von der Summe der Signale der Gruppen A und B, um eine cosinusförmige Welle zu erhalten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches darüber hinaus ein Verstärkungsmittel aufweist, um die Amplitude der sinusförmigen Welle mit jener der cosinusförmigen Welle auszugleichen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Gitter von magnetischen Detektoren auf einer ASIC-Schaltung (application specific integrated circuit, integrierte Schaltung für eine spezifische Anwendung) angeordnet ist, und bei welcher die Deaktivierung einer geraden Anzahl von magnetischen Detektoren mit Hilfe von mehreren einstellbaren Sicherungen erhalten wird, die auf der ASIC-Schaltung vorgesehen sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Deaktivierung der magnetischen Detektoren derart erfolgt, daß eine gerade Anzahl von magnetischen Detektoren an jedem Ende des Gitters von magnetischen Detektoren deaktiviert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Anfangslänge (N–1)x des Gitters von Detektoren größer als das Doppelte der Entfernung d zwischen den Polen ist; dadurch, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, in zwei gleiche Gruppen A und B von benachbarten magnetischen Detektoren für die Verarbeitung der Signale unterteilt sind; und daß ein Verstärkungsmittel verwendet wird, um die Amplitude der sinusförmigen Welle mit jener der cosinusförmigen Welle auszugleichen.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, in vier gleiche Gruppen A, B, C und D von benachbarten magnetischen Detektoren für die Verarbeitung der Signale unterteilt werden und daß ein Verstärkungsmittel verwendet wird, um die Amplitude der sinusförmigen Welle mit jener der cosinusförmigen Welle auszugleichen.
  8. ASIC-Schaltung (application specific integrated circuit, integrierte Schaltung für eine spezifische Anwendung), um die Position und/oder die Richtung einer Scheibe zu bestimmen, die magnetische Pole trägt, wobei die ASIC-Schaltung aufweist: ein Gitter, das eine gerade Anzahl von magnetischen Detektoren aufweist, die mit einer festen Entfernung angeordnet sind und eine effektive Gitterlänge bilden; ein Auswahlmittel, um selektiv eine gerade Anzahl von magnetischen Detektoren in einer Weise zu deaktivieren, daß die magnetischen Detektoren des Gitters, die aktiv bleiben, zueinander benachbart sind; und ein Signalverarbeitungsmittel, um die Signale der magnetischen Detektoren, die übrig bleiben, zu verarbeiten und um eine sinusförmige Welle und eine cosinusförmige Welle zu erzeugen.
  9. ASIC-Schaltung nach Anspruch 8, die darüber hinaus aufweist: ein Verstärkermittel, um die Amplitude der sinusförmigen Welle mit jener der cosinusförmigen Welle auszugleichen.
  10. ASIC-Schaltung nach Anspruch 9, bei welcher das Verstärkungsmittel mehrere Sicherungen aufweist, die einstellbar sind, um mehrere Einstellungen der Verstärkung zu erhalten.
  11. ASIC-Schaltung nach Anspruch 8, bei welcher das Auswahlmittel mehrere Sicherungen aufweist, um die effektive Länge des Gitters zu reduzieren.
  12. ASIC-Schaltung nach Anspruch 8, bei welcher die magnetischen Detektoren, die aktiv bleiben, an einen multipolaren Magneten angelegt sein können, der eine Entfernung zwischen den Polen aufweist, welche der effektiven Länge des Gitters der aktiven magnetischen Detektoren nahe ist.
  13. ASIC-Schaltung nach Anspruch 8, bei welcher die magnetischen Detektoren, die aktiv bleiben, an einen multipolaren Magneten angelegt sein können, der eine Entfernung zwischen den Polen aufweist, die der effektiven Halblänge des Gitters der aktiven magnetischen Detektoren nahe ist.
  14. ASIC-Schaltung nach Anspruch 8, bei welcher das Auswahlmittel selektiv eine ausgewählte gerade Anzahl von magnetischen Detektoren deaktivieren kann, um eine effektive verkürzte ausgewählte Länge des Gitters zu erhalten.
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