DE10042007A1 - Device and method for measuring angles - Google Patents
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Abstract
Description
Es sind Anordnungen von AMR(anisotropic magnetic resistance)-Sensoren bzw. von Hall-Sensoren bekannt, mit deren Hilfe sich die absolute Richtung eines äußeren Magnetfelds bestimmen läßt. Hierbei werden zwei AMR-Sensoren, die zueinander in einem Winkel von 45° angeordnet sind, oder zwei Hallsensoren, die zueinander in einem Winkel von 90° angeordnet sind, eingesetzt. Das äußere Magnetfeld wird in der Regel durch einen drehbaren Dauermagneten bereitgestellt, dessen Winkellage zu bestimmen ist. Ein Beispiel für solche Sensoranordnungen ist der AMR-Sensor KMZ 41 von Philips.There are arrangements of AMR (anisotropic magnetic resistance) sensors or known from Hall sensors, with the help of which the absolute direction of a external magnetic field can be determined. Here, two AMR sensors that are arranged at an angle of 45 ° to one another, or two Hall sensors, which are arranged at an angle of 90 ° to each other. The External magnetic field is usually generated by a rotatable permanent magnet provided, the angular position of which is to be determined. An example of such The sensor arrangement is the AMR sensor KMZ 41 from Philips.
Die von solchen Sensoren gelieferten elektrischen Signale C, S haben die
Form:
The electrical signals C, S supplied by such sensors have the form:
C(Φ) = A.cos(Φ)
S(Φ) = A.sin(Φ)C (Φ) = A.cos (Φ)
S (Φ) = A.sin (Φ)
Hierbei ist A die Amplitude und Φ ist der zu bestimmende Winkel. Beim Hall- Sensor ist der Magnetfeldwinkel mit Φ identisch, beim AMR-Sensor ist der Magnetfeldwinkel gleich Φ/2. Auswerteverfahren zur Bestimmung von Φ werden z. B. in der DE-OS 195 43 562 beschrieben.Here A is the amplitude and Φ is the angle to be determined. At the Hall The sensor, the magnetic field angle is identical to Φ, for the AMR sensor it is Magnetic field angle equal to Φ / 2. Evaluation methods for determining Φ are z. B. described in DE-OS 195 43 562.
Es sind vielfältige inkrementale Winkelsensoren bekannt, die nach optischen oder magnetischen Prinzipien arbeiten.A wide variety of incremental angle sensors are known, based on optical ones or magnetic principles work.
Bei optischen Inkremental-Winkelsensoren wird eine drehbare Scheibe mit periodischen Strichmarkierungen oder eine periodisch durchbrochene Scheibe beleuchtet und die resultierende Intensitätsschwankung in Inkrementalpulse umgesetzt (Einsatzbeispiel: Computermäuse).In the case of optical incremental angle sensors, a rotatable disc is included periodic line marks or a periodically broken disc illuminated and the resulting intensity fluctuation in incremental pulses implemented (application example: computer mice).
Bei magnetischen Inkrementalsensoren wird das Feld eines Dauermagneten durch die Zähne eines drehbaren ferromagnetischen Zahnrads periodisch moduliert, was in einem Hall- oder AMR/GMR(giant magnetic resistance)- Sensor detektiert und in Inkrementalpulse umgesetzt wird.With magnetic incremental sensors, the field becomes a permanent magnet periodically through the teeth of a rotatable ferromagnetic gear modulates what is in a Hall or AMR / GMR (giant magnetic resistance) - Sensor is detected and converted into incremental pulses.
Die Erfindung verbindet die oben beschriebenen AMR- oder Hall- Winkelsensoren mit der Idee einer inkrementalen Auswertung ohne die Zuhilfenahme von zusätzlichen mechanischen Elementen wie z. B. Zahnrädern. Bei der inkrementalen Auswertung ist die Frequenz der abgegebenen Inkrementalpulse proportional zur Winkelgeschwindigkeit.The invention combines the AMR or Hall Angle sensors with the idea of an incremental evaluation without the With the help of additional mechanical elements such. B. gears. In the incremental evaluation, the frequency is the delivered Incremental pulses proportional to the angular velocity.
Inkrementale Winkelsensoren können Einsatz finden z. B. als Raddrehzahlgeber für ABS/FDR, als Motordrehzahlgeber oder als Lenkrad-Winkelgeschwindig keitsgeber.Incremental angle sensors can be used e.g. B. as a wheel speed sensor for ABS / FDR, as engine speed sensor or as steering wheel angular speed keitsgeber.
Die Erfindung ermöglicht die einfache und preisgünstige inkrementale Auswertung von Winkelsensoren nach dem AMR(GMR)- oder Hall-Prinzip. Der mechanische Aufbau entspricht dem der oben beschriebenen absoluten Winkelsensoren (AMR- oder Hall-Sensoranordnung mit drehbarem Dauermagneten). Die aufwendige Bestimmung des Winkels Φ aus den analogen sin/cos-Signalen ist nicht erforderlich.The invention enables simple and inexpensive incremental Evaluation of angle sensors according to the AMR (GMR) or Hall principle. The mechanical structure corresponds to that of the absolute described above Angle sensors (AMR or Hall sensor arrangement with rotatable Permanent magnets). The elaborate determination of the angle Φ from the analog sin / cos signals are not required.
Gegenüber optischen oder magnetischen Inkremental-Winkelsensoren besteht der Vorteil, daß keine zusätzlichen mechanischen Komponenten wie optische Scheibe oder ferromagnetisches Zahnrad erforderlich sind.Compared to optical or magnetic incremental angle sensors the advantage that no additional mechanical components such as optical Disc or ferromagnetic gear are required.
Im Vergleich zu optischen Inkrementalsensoren sind magnetische Inkrementalsensoren sehr viel weniger verschmutzungsanfällig und für rauhere Betriebsbedingungen geeignet.Compared to optical incremental sensors are magnetic Incremental sensors are much less susceptible to contamination and for harsher operating conditions.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die Anzahl der abgegebenen Inkrementalpulse pro Umdrehung keine ganze Zahl sein muß. Die Winkel auflösung ΔΦ, die einem abgegebenen Inkrementalpuls entspricht, ist nahezu beliebig wählbar. Bei den bekannten Anordnungen wird hingegen die Anzahl der Inkrementalpulse pro Umdrehung durch die Teilung der optischen Scheibe bzw. des Zahnrads bestimmt.There is also the advantage that the number of dispensed Incremental pulses per revolution need not be an integer. The angles Resolution ΔΦ, which corresponds to a given incremental pulse, is almost freely selectable. In the known arrangements, however, the number the incremental pulses per revolution by dividing the optical disc or the gear.
Beim Einschalten werden die beiden momentanen Sensorausgangssignale C0, S0,
die dem zum Abtastzeitpunkt herrschenden Sensorwinkel Φ0 entsprechen, in
zwei Abtast/Haltegliedern gehalten:
When the device is switched on, the two instantaneous sensor output signals C 0 , S 0 , which correspond to the sensor angle Φ 0 prevailing at the time of sampling, are held in two sampling / holding elements:
C0 = A.cos(Φ0)
S0 = A.sin(Φ0)C 0 = A.cos (Φ 0 )
S 0 = A.sin (Φ 0 )
Durch Komparatoren werden die laufenden Sensorsignale C und S mit synthetischen Signalen, die aus C0 und S0 bestimmt werden, verglichen. Die synthetischen Signale Cp, Sp bzw. Cm, Sm beschreiben die Werte von C und S nach einem Winkelfortschritt um das gewählte Inkrement ΔΦ (bei Cp, Sp) bzw. -ΔΦ (bei Cm, Sm).The current sensor signals C and S are compared by comparators with synthetic signals which are determined from C 0 and S 0 . The synthetic signals Cp, Sp and Cm, Sm describe the values of C and S after an angular advance by the selected increment ΔΦ (for Cp, Sp) and -ΔΦ (for Cm, Sm).
Für die synthetischen Signale gilt:
The following applies to the synthetic signals:
d. h., die Spannungswerte der Abtast/Halteglieder werden mit konstanten Faktoren cd bzw. sd gewichtet, was z. B. durch Widerstände oder switched capacitor (SC-)Strukturen erfolgen kann.d. that is, the voltage values of the sample / hold elements are constant Factors cd and sd weighted, which, for. B. by resistors or switched capacitor (SC) structures can take place.
Für die digitalen Ausgangssignale k1 . . . k4 der Komparatoren gilt:
For the digital output signals k 1 . , , k 4 of the comparators applies:
k1 = S < Sp
k2 = S < Sm
k3 = C < Cp
k4 = C < Cm
k 1 = S <S p
k 2 = S <S m
k 3 = C <C p
k 4 = C <C m
(Bedingung auf der rechten Seite wahr: Signal = 1, sonst 0).
Überschreitet der tatsächliche Winkel Φ den Winkel Φ0 + ΔΦ, so erwartet man
ein Umkippen von wenigstens einem der Signale k1, k3. Bei einem
Unterschreiten des Winkels Φ0 - ΔΦ erwartet man ein Umkippen von wenigstens
einem der Signale k2, k4.(Condition on the right side true: signal = 1, otherwise 0).
If the actual angle Φ exceeds the angle Φ 0 + ΔΦ, then at least one of the signals k1, k3 is expected to topple over. If the angle falls below the angle Φ 0 - ΔΦ, one of the signals k2, k4 is expected to topple over.
Mit Hilfe zweier weiterer digitaler Komparatorausgangssignale kann
entschieden werden, bei welchem Signal ein Umkippen erwartet wird und wie
die Richtung des Umkippens (0 = < 1 oder 1 = < 0) sein wird:
With the help of two further digital comparator output signals, it can be decided which signal is expected to topple over and what the direction of the overturning will be (0 = <1 or 1 = <0):
k5 = (S0 + C0) < 0
k 5 = (S 0 + C 0 ) <0
k6 = S0 < C0 k 6 = S 0 <C 0
Durch eine einfache digitalen Logik werden nun aus den Komparator-Signalen
k1 bis k5 die beiden inkrementalen Takt-Ausgangssignale Tlinks und Trechts (für
die beiden möglichen Drehrichtungen) erzeugt:
Using simple digital logic, the two incremental clock output signals T left and T right (for the two possible directions of rotation) are now generated from the comparator signals k 1 to k 5 :
Durch eine Monoflopschaltung wird im Falle einer steigenden Flanke von Tlinks oder Trechts ein erneuter Abtastimpuls für die Abtast/Halteglieder erzeugt, womit die nun erreichte neue Winkelposition gespeichert wird, und der ganze Ablauf beginnt von vorne.In the case of a rising edge from T left or T right, a monoflop circuit generates a renewed sampling pulse for the sampling / holding elements, which saves the new angular position that has now been reached, and the whole process begins again.
Wenn längere Zeit keine Winkeländerung erfolgt, kann es passieren, daß die Signale in den Abtast/Haltegliedern aufgrund von Leckströmen wegdriften. Deshalb ist vorgesehen, daß eine Zeitüberwachungsschaltung nach Ablauf der Zeit T0 (z. B. 10 Sekunden), in der keine Winkeländerung detektiert wurde, einen Abtastimpuls erzeugt, der die abgetasteten Signale auffrischt. Hierbei wird kein Inkrement-Taktsignal erzeugt.If the angle is not changed for a long time, it can happen that the Signals in the sample / hold elements drift away due to leakage currents. It is therefore provided that a time monitoring circuit after the Time T0 (e.g. 10 seconds) in which no change in angle was detected, generates a sampling pulse that refreshes the sampled signals. No increment clock signal is generated here.
Bild 1 zeigt das Blockschaltbild der Erfindung. Die differentiellen Sensorsignalpaare C1, C2 bzw S1, S2 werden zwei Differenzverstärkern zugeführt, die nach Abzug der eventuellen Offsets des Sensors die oben beschriebenen Signale C und S liefern. Es schließen sich zwei Abtast/Halteglieder an, die die gehaltenen Signale C0 und S0 liefern. Eine Widerstands- oder SC-Matrix in Verbindung mit 6 Komparatoren liefert die logischen Signale k1 bis k5, die in einer Logik weiterverarbeitet werden. In der Logik werden die inkrementalen Takt-Ausgangssignale Tlinks und Trechts und das Abtastsignal erzeugt. Das Abtastsignal wird z. B. von einem Monoflop mit einer fest eingestellten Impulsdauer von z. B. 20 µs erzeugt. Auch die oben erwähnte Zeitüberwachungs- und Resetschaltung befindet sich im Logikblock. Figure 1 shows the block diagram of the invention. The differential sensor signal pairs C 1 , C 2 or S 1 , S 2 are fed to two differential amplifiers which, after deduction of any offsets of the sensor, deliver the signals C and S described above. This is followed by two sample / hold elements, which deliver the held signals C 0 and S 0 . A resistance or SC matrix in connection with 6 comparators supplies the logical signals k 1 to k 5 , which are further processed in a logic. The incremental clock output signals T left and T right and the scanning signal are generated in the logic. The scanning signal is e.g. B. from a monoflop with a fixed pulse duration of z. B. 20 microseconds. The time monitoring and reset circuit mentioned above is also in the logic block.
Die Bilder 2 und 3 zeigen beispielhaft die Beschaltung der 6 Komparatoren, die die Signale k1 bis k6 erzeugen. Figures 2 and 3 show an example of the wiring of the 6 comparators that generate the signals k 1 to k 6 .
Claims (2)
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