DE102004051018B4

DE102004051018B4 - Verfahren zur Ermittlung fehlerhafter Magnet-Hallsensor-Systeme

Info

Publication number: DE102004051018B4
Application number: DE200410051018
Authority: DE
Inventors: Harald Kerkmann
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: DE102004051018A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung fehlerhafter Magnet-Hallsensor-Systeme mit einem Hallsensor und einem im Betrieb zur Positionsbestimmung in einem Stellantrieb mit zwei Endstellungen mit dem Hallsensor korrespondierenden Magneten mit folgenden Schritten:
a) Kalibrierung des Hall-Sensors durch Einprogrammieren einer vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M = M₁, wobei M₁ der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ des Magneten entspricht,
b) Festlegen eines unteren Grenzwertes x₁ und eines oberen Grenzwertes x₂ für Hall-Counts z, welche digitale Ausgabewerte des Hallsensors sind, die von der auf den Hallsensor wirkenden Magnetfeldstärke abhängig sind,
c) Festlegen eines unteren Zielwertes y₁ und eines oberen Zielwertes y₂, wobei y₁ > x₁ und y₂ < x₂ für die auszulesenden Hall-Counts z sind,
d) Auslesen der Hall-Counts z₁ des Hall-Sensors in der ersten Endstellung des Stellantriebes
e) bei z₁ < x₁ oder z₁ > x₂ wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert; bei x₁ < z₁ < x₂ wird mit Schritt...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung fehlerhafter Magnet-Hallsensor-Systeme mit einem Hallsensor und einem im Betrieb zur Positionsbestimmung in einem Stellantrieb mit zwei Endstellungen mit dem Hallsensor korrespondierenden Magneten.
Magnet-Hallsensor-Systeme zur Positionsbestimmung in Stellantrieben sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Zur Bestimmung der Kennlinie des Hall-Sensors wurden lediglich die Hall-Counts in den beiden Endstellungen des Stellantriebes bestimmt und hieraus die Kennlinie erstellt. Ein Aussortieren fehlerhafter Magnete oder fehlerhaft montierter Magnet-Hallsensor-Systeme fand genauso wenig statt wie eine Anpassung des Feldstärkefaktors zur Kalibrierung des Hall-Sensors, um den Feldstärkefaktor den tatsächlichen Gegebenheiten anzupassen. Entsprechend konnte es vorkommen, daß fehlerhafte Systeme an Kunden ausgeliefert wurden.
Bekannt ist aus der DE 102 20 911 A1 ein Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests eines magnetoresistiven Sensorelementes, welches periodisch oder aperiodisch mit einem von einem dem Sensorelement zugeordneten Magnetfelderzeugungsmittel erzeugten Magnetfeld bekannter Feldstärke beaufschlagt wird, wobei das hieraus resultierende Sensorsignal in einer Verarbeitungseinrichtung erfasst und ausgewertet wird und in Abhängigkeit vom Auswerteergebnis ein Funktions- oder ein Fehlfunktionssignal ausgegeben wird oder eine neue Kalibrierung des Sensorelementes durchgeführt wird. Die Neukalibrierung findet statt, indem die Kalibrierungskennlinie erneut aufgenommen wird, wobei zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt ist, inwieweit die dann aufgenommenen Kalibrierungswerte korrekt sind. Eine Identifizierung nicht optimal magnetisierter Magnete oder nicht korrekt montierter Magnet-Hallsensor-Systeme ist nicht möglich. Die Kalibrierung des Sensorelementes erfolgt jeweils unabhängig von der tatsächlich vorhandenen Magnetfeldstärke eines frei einstellbaren Testmagnetfeldes, welches unabhängig vom eigentlich zu vermessenden Messsignal ist. Ein Verschieben der Kalibrierungskurve in einen bevorzugten Bereich wird nicht erreicht.
In der DE 44 27 278 C2 wird eine Längen- oder Winkelmesseinrichtung mit einem Hall-Sensor beschrieben, welcher in seinen Grenzlagen zur Abschaltung der Bewegung des zu vermessenen Bauteils dient. Ein zusätzliches Magnetfeld in Form eines Magneten ist dem Hall-Sensor stationär zugeordnet ist, um keine vorliegenden Null-Volt-Spannungen zu erhalten, sondern die anliegenden Spannungen in den positiven Bereich zu verschieben. Zusätzlich existieren ein oder mehrere Grenzwerte, bei deren Überschreitung oder Unterschreitung ein Fehlersignal ausgegeben wird. Diese Grenzwerte werden entsprechend der zu erwartenden auftretenden Spannungen entsprechend der vorhandenen Magnetfeldstärken festgelegt. Eine Kalibrierung des Hall-Sensors ist nicht bekannt, weder bezüglich der Grenzwerte noch bezüglich der Zielwerte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches geeignet ist, nicht optimal magnetisierte Magnete oder nicht korrekt montierte Magnet-Hallsensor-Systeme zu ermitteln und gegebenenfalls auszusortieren. Des weiteren soll der Feldstärkefaktor zur Kalibrierung des Hall-Sensors und zur Ermittlung der Hall-Sensor-Kennlinie den tatsächlichen Gegebenheiten also der tatsächlich vorhandenen Magnetfeldstärke des Magneten angepaßt werden, um eine optimierte Auflösung und Kennlinie zu erhalten. Entsprechend soll der theoretisch maximale Zahlenbereich optimal genutzt und gleichzeitig ein Sicherheitsabstand zu den Grenzen des Arbeitsbereiches sichergestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

a) Kalibrierung des Hall-Sensors durch Einprogrammieren einer vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M = M₁, wobei M₁ der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ des Magneten entspricht,
b) Festlegen eines unteren Grenzwertes x₁ und eines oberen Grenzwertes x₂ für Hall-Counts z, welche digitale Ausgabewerte des Hallsensors sind, die von der auf den Hallsensor wirkenden Magnetfeldstärke abhängig sind,
c) Festlegen eines unteren Zielwertes y₁ und eines oberen Zielwertes y₂, wobei y₁ > x₁ und y₂ < x₂ für die auszulesenden Hall-Counts z sind,
d) Auslesen der Hall-Counts z₁ des Hall-Sensors in der ersten Endstellung des Stellantriebes
e) bei z₁ < x₁ oder z₁ > x₂ wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert; bei x₁ < z₁ < x₂ wird mit Schritt f) fortgefahren
f) Verschieben des digitalen Ausgabewertes des Hallsensors falls z₁ < y₁, indem die einprogrammierte Magnetfeldstärke M von der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ auf einen vordefinierten Wert M₂ < M₁ herabgesetzt wird und fortfahren mit Schritt h); sonst fortfahren mit Schritt g)
g) Verschieben des digitalen Ausgabewertes des Hallsensors falls z₁ > y₂, indem die einprogrammierte Magnetfeldstärke M von der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ auf einen vordefinierten Wert M₃ > M₁ heraufgesetzt wird und fortfahren mit Schritt h); sonst fortfahren mit Schritt i*)
h) Auslesen der Hall-Counts z₂ des Hall-Sensors in der ersten Endstellung des Stellantriebes, nach Änderung der einprogrammierten Magnetfeldstärke M auf M₂ oder M₃ gemäß einem der Schritte f) oder g) und überprüfen ob bei M = M₂ z₂ > z₁ oder bei M = M₃ z₂ < z₁ und x₁ < z₂ < x₂ erreicht ist; wenn nicht wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert; sonst weiter mit Schritt i*)
i*) bei y₁ < z₂ < y₂ oder y₁ < z₁ < y₂ fortfahren mit Schritt i); andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert,
i) Auslesen der Hall-Counts z₃ in der zweiten Endstellung des Stellgliedes
j*) bei y₁ < z₃ < y₂; wird der Stellantrieb freigegeben, andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert.

Hierdurch wird sicher gestellt, daß der theoretisch maximale Zahlenbereich bei der Einstellung der Magnetfeldstärke möglichst optimal ausgenutzt wird, wobei gleichzeitig ein ausreichender Sicherheitsabstand von den Maximalwerten eingehalten wird. Eine Auslieferung von fehlerhaft montierten beziehungsweise nicht ausreichend magnetisierten Magneten und somit Stellantrieben wird zuverlässig vermieden. Die Auflösung des Sensors wird verbessert und der Arbeitsbereich in einen unkritischen Bereich verschoben.
Der Schritt i) wird nur durchgeführt falls y₁ < z₂ < y₂ oder y₁ < z₁ < y₂ erreicht wird; andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert. Durch eine derartige Vorgehensweise wird die Anforderung zur Auslieferung von Stellantrieben weiter erhöht, so daß nur Stellantriebe genutzt werden, bei denen die Werte der Hall-Counts in einem Optimalbereich liegen.
Zusätzlich erfolgt die Freigabe des Stellantriebes nur, falls in Schritt j*) y₁ < z₃ < y₂; andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert. Somit gelangen zum Kunden nur Stellantriebe, welche in beiden Endstellungen im optimalen Zahlenbereich also im optimalen Arbeitsbereich des Sensors liegen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können je nach gewünschter Güteklasse zuverlässig nicht im Optimalbereich arbeitende Stellantriebe aussortiert werden, da die Auflösung des Sensors verbessert und der Arbeitsbereich in einen unkritischen Bereich verschoben wird.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird das Verfahren mit Hilfe des in der Figur dargestellten Ablaufdiagramms anhand eines Stellantriebes für Klappen- oder Verstellhebel mit einem Ringmagneten beschrieben.
Heutige elektrische Stellantriebe werden häufig mit einer Lagerückmeldung bestehend aus Hall-Sensor und Ringmagnet ausgeführt. Dieser Ringmagnet ist beispielsweise am Ende einer Welle angeordnet, auf der einzelne Klappenkörper befestigt sind. Bei Drehung der Welle und somit des Ringmagneten ändert sich das auf den Sensor wirkende magnetische Feld des Magneten, so daß der Hall-Sensor ein unterschiedliches Ausgangssignal liefert. Zur Kalibrierung des Hall-Sensors kann diesem beispielsweise die erwartete Magnetfeldstärke des Ringmagneten mitgeteilt werden, um eine möglichst gute Auflösung des Sensorsignals zu erhalten. Der Hall-Sensor gibt die auf ihn wirkende Magnetfeldstärke in Form einer Spannung von beispielsweise 0 V–5 V aus. Dieser Spannungsbereich wird durch anwendungsspezifische Verstärkung und Offset variiert. Da der Sensor intern digital arbeitet, wird die Magnetfeldstärke gemessen und digitalisiert, das heißt es werden Counts ausgegeben, die anschließend beispielsweise in einem Filter weiter verarbeitet werden. Der für diese Counts maximal zur Verfügung stehende Zahlenbereich für den digitalen Wert der auf den Hall-Sensor wirkenden Magnetfeldstärke beträgt zum Beispiel minus 5.000 bis plus 5.000. Diese Counts sind mit speziellen Werkzeugen von außen abgreifbar.
Üblicherweise wird bei richtiger Kalibrierung der theoretische maximale Zahlenbereich der Magnetfeldstärke jedoch nicht voll ausgenutzt. So werden in Endlagen der Stellantriebe Counts von beispielsweise 2.000 bis 4.700 oder auch –2000 bis –4700 erreicht, wobei im weiteren jeweils von positiven Werten der Hall-Counts ausgegangen wird. Diese in den Winkelendlagen entstehenden Grenzwerte der Sensoren können abgefragt und somit zur Diagnose verwendet werden. Bei Unter- beziehungsweise Überschreiten wird der entsprechende Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert.
Zur Ermittlung der Magnetfeldstärke in den unterschiedlichen Stellungen wird dem Sensor der erwartete Bereich für die Feldstärke beispielsweise 75 mT einkalibriert. Ausgehend von dieser einkalibrierten Feldstärke wird im Sensor eine passende Verstärkung für das von ihm gemessene Signal gewählt. Um eine möglichst hohe Auflösung des Ausgangssignals zu erreichen, wird angestrebt, die intern ermittelten Counts möglichst groß werden zu lassen. Andererseits sollen diese Werte jedoch auch ausreichenden Sicherheitsabstand von den Maximalwerten haben, so daß vorzugsweise im vorhandenen Beispiel ein Zielbereich zwischen 3.200 und 4.300 Counts in den Winkelendlagen erreicht werden soll. Ist dies nicht der Fall, wird die entsprechende Vorgabe für den zu erwartenden Feldstärkebereich je nach Unterschreiten oder Überschreiten der Maximal- beziehungsweise Minimalwerte auf beispielsweise 60 mT erniedrigt oder 90 mT erhöht und dieser Wert in den Sensor einkalibriert. Abschließend wird daraufhin geprüft, ob diese Änderung einen positiven Effekt auf das Meßergebnis hat und der Grenzbereich auch in der zweiten Winkelendlage eingehalten wird. Im einzelnen läuft dieses Verfahren nach folgendem in der Figur dargestellten Schema ab.
Zunächst müssen die Werte für den Grenzbereich den Zielbereich sowie den erwarteten Bereich für die Feldstärke festgelegt werden. Bezogen auf das oben gewählte Beispiel wird der Grenzwert x₁ auf 2.000 Counts festgelegt, der Grenzwert x₂ auf 4.700, der Zielwert y₁ auf 3.200, der Zielwert y₂ auf 4.300. Die zunächst erwartete Feldstärke wird entsprechend der Angaben des Herstellers beispielsweise auf M₁ = 75 mT festgelegt, bei einer Änderung der Kalibrierung auf M₂ = 60 mT herunter gesetzt beziehungsweise auf M₃ = 90 mT herauf gesetzt. Der Stellantrieb wird nun in eine erste Endlage, also beispielsweise an einen ersten Anschlag der Klappe gelegt und die Counts z₁ des Hall-Sensors ausgelesen. Liegt dieser Wert im Grenzbereich, also zwischen 2.000 und 4.700 wird fortgefahren, andernfalls wird dieser Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert.
Im weiteren wird geprüft, ob z₁ unterhalb von 3.200, also von y₁ liegt. Ist dies der Fall, wird die erwartete Feldstärke auf 60 mT also M₂ erniedrigt, so daß eine höhere Verstärkung des Hall-Sensors erfolgt. Ist z₁ größer als 3.200 wird überprüft, ob er auch größer 4.300 ist. Ist dies der Fall, wird die erwartete Feldstärke auf 90 mT erhöht, so daß die Verstärkung erniedrigt wird. Ist eine solche Änderung der erwarteten Feldstärke vorgenommen worden, wird mit dieser erwarteten Feldstärke eine weitere Messung der Hall-Counts vorgenommen. Bei einer optimierten Ausführung gemäß der Figur sollte der Wert für z₂ nun zwischen 3.200 und 4.300 liegen. Ist dies nicht der Fall, würde dieser Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert. Liegt nun also entweder z₁ oder z₂ zwischen y₁ und y₂, also zwischen 3.200 und 4.300 wird der Stellantrieb in seine zweite Endstellung also gegen den zweiten Anschlag gefahren und dort erneut die Hall-Counts z₃ ausgelesen. Diese sollten nun wiederum zwischen 3.200 und 4.300 liegen. Ist dies der Fall, so kann der Stellantrieb an den Kunden ausgeliefert werden, andernfalls erfolgt ein Fehler und Abbruch.
In einer hierzu alternativen nicht zur Erfindung gehörzgen Ausführungsform ist es selbstverständlich auch möglich, nach Änderung der Feldstärke auf 60 beziehungsweise 90 mT lediglich zu überprüfen, ob sich der Wert verbessert hat, dies bedeutet, wenn beispielsweise z₁ = 2.500 Counts war, könnte durch Änderung des Feldstärkebereiches auf 60 mT nun ein Wert für z₂ von 3.000 eingelesen werden. Dies würde bedeuten, daß eine Verbesserung aufgetreten ist, jedoch der Wert nach wie vor nicht im Zielbereich liegt. Je nach Definition könnte auch ein solcher Stellantrieb als ausreichend gut an den Kunden ausgeliefert werden. Entsprechendes gilt für das Auslesen der Hall-Counts in der zweiten Endstellung, so daß es ausreichen kann, wenn z₃ zwischen 2.000 und 3.200 oder 4.300 und 4.700 also im Grenzbereich aber außerhalb des Zielbereiches liegt. Auch dann kann der Stellantrieb gegebenenfalls als korrekt an den Kunden ausgeliefert werden. Welche dieser Vorgaben genutzt werden oder wo die entsprechenden Grenzwerte beziehungsweise Zielwerte festgelegt werden, ist jeweils abhängig von der Anwendung und den Kundenspezifikationen.
Des weiteren wird durch die Überprüfung der Hall-Counts und gegebenenfalls Veränderung der einkalibrierten Magnetfeldstärke die Auflösung des Sensors verbessert, falls eine höhere Verstärkung gewählt wurde oder der Arbeitsbereich des Sensors in einen unkritischen Bereich verschoben, wenn eine niedrigere Verstärkung gewählt wird.

Claims

Verfahren zur Ermittlung fehlerhafter Magnet-Hallsensor-Systeme mit einem Hallsensor und einem im Betrieb zur Positionsbestimmung in einem Stellantrieb mit zwei Endstellungen mit dem Hallsensor korrespondierenden Magneten mit folgenden Schritten: a) Kalibrierung des Hall-Sensors durch Einprogrammieren einer vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M = M₁, wobei M₁ der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ des Magneten entspricht, b) Festlegen eines unteren Grenzwertes x₁ und eines oberen Grenzwertes x₂ für Hall-Counts z, welche digitale Ausgabewerte des Hallsensors sind, die von der auf den Hallsensor wirkenden Magnetfeldstärke abhängig sind, c) Festlegen eines unteren Zielwertes y₁ und eines oberen Zielwertes y₂, wobei y₁ > x₁ und y₂ < x₂ für die auszulesenden Hall-Counts z sind, d) Auslesen der Hall-Counts z₁ des Hall-Sensors in der ersten Endstellung des Stellantriebes e) bei z₁ < x₁ oder z₁ > x₂ wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert; bei x₁ < z₁ < x₂ wird mit Schritt f) fortgefahren f) Verschieben des digitalen Ausgabewertes des Hallsensors falls z₁ < y₁, indem die einprogrammierte Magnetfeldstärke M von der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ auf einen vordefinierten Wert M₂ < M₁ herabgesetzt wird und fortfahren mit Schritt h); sonst fortfahren mit Schritt g) g) Verschieben des digitalen Ausgabewertes des Hallsensors falls z₁ > y₂, indem die einprogrammierte Magnetfeldstärke M von der vorbestimmten zu erwartenden Magnetfeldstärke M₁ auf einen vordefinierten Wert M₃ > M₁ heraufgesetzt wird und fortfahren mit Schritt h); sonst fortfahren mit Schritt i*) h) Auslesen der Hall-Counts z₂ des Hall-Sensors in der ersten Endstellung des Stellantriebes, nach Änderung der einprogrammierten Magnetfeldstärke M auf M₂ oder M₃ gemäß einem der Schritte f) oder g) und überprüfen ob bei M = M₂ z₂ > z₁ oder bei M = M₃ z₂ < z₁ und x₁ < z₂ < x₂erreicht ist; wenn nicht wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert; sonst weiter mit Schritt i*) i*) bei y₁ < z₂ < y₂ oder y₁ < z₁ < y₂ fortfahren mit Schritt i); andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert, i) Auslesen der Hall-Counts z₃ in der zweiten Endstellung des Stellgliedes j*) bei y₁ < z₃ < y₂; wird der Stellantrieb freigegeben, andernfalls wird der Stellantrieb als fehlerhaft aussortiert.