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Die Erfindung betrifft einen Lagegeber zur Positionserfassung von rotierenden Maschinenelementen, bestehend aus mit dem Maschinenelement rotierenden Magnetsegmenten und wenigstens zwei ortsfesten Hallsensoren, wobei die Anzahl ausgelöster Signalimpulse als Maß für den Drehwinkel und die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der beiden Hallsensoren zur Bestimmung der Drehrichtung dient.
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Inkrementale Lagegeber in der Form von Hallsensoren, die mit in der Regel abwechselnd entgegengesetzt polarisierten Magnetsegmenten zusammenwirken, sind seit längerer Zeit bekannt. Im einfachsten Falle besitzt der Lagegeber einen einzelnen Hallsensor, der zeitlich diskrete Signale erzeugt, wobei diese Signale von der angeschlossenen Elektronik gezählt werden und damit in Verbindung mit dem Winkelabstand der Magnetsegmente der Drehwinkel des rotierenden Elements bestimmt werden kann. Da es sich hierbei um keinen absoluten Positionsgeber handelt, ist in der Regel nach dem Einschalten eine Referenzfahrt notwendig. Dabei wird zunächst eine Endlage angesteuert, von der ausgehend dann jeder Impuls gezählt wird, wodurch die absolute Lage bestimmbar ist. Ohne zusätzliche Sensorik besteht allerdings keine Möglichkeit, eine Umkehrung der Bewegungsrichtung während des Betriebes zu erfassen, die beispielsweise durch äußere Krafteinwirkung auftreten kann, so dass diese einfache Anordnung nur für Antriebe mit einer Drehrichtung, wie z. B. Pumpen oder Lüfter geeignet ist.
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Zur zusätzlichen Richtungsbestimmung sind bereits verbesserte Lagegeber bekannt, bei welchen die Phasenbeziehung zweier in Bezug auf die Verfahrrichtung versetzter Schalter ausgewertet wird, d. h. bei rotierenden Bauelementen die Phasenbeziehung zweier in unterschiedlicher Winkellage angeordneter Hallsensoren. Hierbei ergibt sich zusätzlich der Vorteil einer Verdoppelung der Auflösung, so dass auch die Winkellage mit höherer Präzision bestimmbar ist.
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Bei diesem als so genannte Quadratur-Decodierung bezeichneten Verfahren werden Hallschalter eingesetzt, die zwei Hallsensoren in geringem Abstand auf einem Kristall beinhalten, wobei auch die Integration der Decodiereinheit bereits bekannt ist. In der Regel ist hierbei der Abstand der beiden Hallsensoren auf die Polbreite der Magnetsegmente abgestimmt, wobei ein Abstand von 1,5 mm in Anpassung an eine übliche Polbreite von 3 mm verbreitet ist. Diese vergleichsweise geringe Polbreite hat den Nachteil, dass die Hallsensoren sehr nahe an die Magnetsegmente herangerückt werden müssen, um eine sicher auswertbare Signalqualität zu erhalten, wobei Abstände von ca. 50 - 70 % der Polbreite möglich sind. Solche vergleichsweise engen Abstände können problematisch sein, insbesondere wenn die Hallsensoren unmittelbar auf einer Leiterplatte angeordnet sein sollen, die separat von dem rotierenden Element montiert wird. Verbessern läßt sich die Signalqualität durch die Verwendung von starkem und damit teurem Magnetmaterial, wie seltenen Erden, und/oder dadurch, dass man sehr große Polbreiten verwendet. Insbesondere bei Anordnung der Magnetsegmente auf einem Umfang ergibt sich dabei wiederum das Problem, dass die Abtastung bei auf einer Leiterplatte mit ebener Erstreckung vorgesehenen Hallsensoren durch den entsprechend größeren Abstand erschwert ist, wenn beispielsweise im Extremfall nur noch zwei Pole eingesetzt werden.
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Aus der
US 2002/0175673 A1 ist eine Anordnung zum Bestimmen der Drehrichtung einer Bewegung eines Sensorelements bekannt.
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Die
DE 44 08 623 A1 beschreibt einen magnetischen Positionssensor, der beispielsweise zur Winkelpositionsabtastung bei Verbrennungsmotoren dient.
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Die
EP 0 496 918 A1 betrifft eine Anordnung zur Gewinnung von Impulssignalen beim Vorbeilauf von Markierungen eines Geberteils.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lagegeber zu schaffen, der sich in einfacher, kostengünstiger Weise an verschiedene Umstände anpassen lässt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Lagegeber der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei welchem wenigstens zwei getrennte Umfangsanordnungen von Magnetsegmenten vorgesehen sind, die zueinander um ein bestimmtes Winkelmaß versetzt angeordnet sind und jeweils mit einem Hallsensor zusammenwirken.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass durch die zusätzliche Anordnung von Magnetsegmenten jedem Hallsensor seine eigene Magnetabfolge zugewiesen werden kann, so dass beispielsweise bei eng nebeneinander liegenden Anordnungen von Magnetsegmenten auch eng nebeneinander liegende Hallsensoren verwendet werden können, wobei gleichzeitig die Polbreiten und damit auch der Abstand der Hallsensoren zu den Magnetsegmentanordnungen relativ groß sein können und eventuelle Fertigungstoleranzen ohne wesentlichen Einfluss auf die Signalqualität der Hallsensoren bleiben.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hallsensoren alle in der gleichen Winkellage angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die zur Richtungsbestimmung herangezogene Phasenverschiebung alleine durch den Winkelversatz der Magnetsegmente der Anordnungen zueinander definiert ist, wodurch sich herstellungstechnisch ein Vorteil ergibt, weil die Hallsensoren einfach auf einer Linie parallel zur Drehachse des rotierenden Maschinenelements angeordnet werden können. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher ein Doppelhallsensor mit zwei beabstandeten, integrierten Hallsensoren vorgesehen ist, die jeweils eine zugeordnete Anordnung Magnetsegmente abtasten, deren axialer Abstand an den Abstand der beiden Hallsensoren angepasst ist. Dabei können die Hallsensoren entweder Umfangsflächen axial beabstandeter Anordnungen von Magnetsegmenten oder Stirnflächen von radial beabstandeten Magnetsegmenten an einer Stirnfläche des Maschinenelements abtasten.
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Die Verwendung eines Doppelhallsensors bietet den Vorteil, dass diese bereits am Markt verfügbar sind, beispielsweise unter der Bezeichnung AL3422 von der Firma Allegro MicroSystems. Anders als bei der üblichen Verwendung dieser Doppelhallsensoren im Rahmen der eingangs beschriebenen Quadratur-Decodierung, ist der Sensor jedoch um 90° gedreht angeordnet, um anstelle einer Erfassung phasenversetzter Signale der beiden Hallsensoren ein getrenntes Erfassen nebeneinander liegender phasenversetzter Magnetspuren zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass ein vergleichsweise günstiger Doppelhallsensor, bei welchem die Hallzellen in der Regel auf einem Kristall angeordnet sind, bei gleichzeitig sehr großer Polbreite eingesetzt werden kann, während in der bekannten Anwendung die Polbreite ungefähr das doppelte des Abstandes der beiden Hallsensoren betragen muss. Das Vorsehen sehr großer Polbreiten erlaubt dann wiederum die bereits angesprochenen größeren Abstände der Hallsensoren von den abzutastenden Oberflächen, wobei die Signalqualität durch Toleranzen im Abstand weniger stark beeinflusst wird. Bedingt durch den Umstand, dass das Vorsehen jeweils einer Anordnung von Magnetsegmenten für jeden Hallsensor erfindungsgemäß vorgesehen ist, ergibt sich ohnehin eine Verdoppelung der Auflösung des Lagegebers, so dass die Vergrößerung der Polbreite nicht notwendigerweise zu einer Verschlechterung der Auflösung des Lagegebers führen muss.
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Wie bereits erwähnt, sind die Hallsensoren vorzugsweise unmittelbar auf einer Leiterplatte oder einem sonstigen Substrat angeordnet, wobei im Falle eines Doppelhallsensors Ausführungen bevorzugt verwendet werden, bei welchen die Decodiereinheit in den Doppelhallsensor selbst integriert ist.
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Die Ausbildung der Anordnungen von Magnetsegmenten kann in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass eine zylindrische Oberfläche aus einem magnetisierbaren Werkstoff in entsprechender Weise magnetisiert ist, wobei alternativ auch eine Ausführungsform denkbar ist, bei welcher zwei identische Umfangsanordnungen von Magnetsegmenten phasenverdreht in axialem Abstand an dem rotierenden Maschinenelement angeordnet sind. Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die beiden Scheiben durch eine Zwischenlage aus nicht magnetischem Material getrennt sind, möglich ist es aber auch, die beiden Scheiben axial unmittelbar aufeinander folgend anzuordnen oder nur durch einen schmalen Luftspalt voneinander zu trennen.
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Grundsätzlich ist es möglich, die Magnetsegmente durch massive Körper aus magnetisierbarem Werkstoff auszubilden, wobei aus Kostengründen allerdings eine Ausführungsform bevorzugt ist, bei welcher die Magnetsegmente als Magnetspuren mit wechselnden Polarisationen ausgebildet sind. Insbesondere im Hinblick auf die groß gewählten Polbreiten ist eine sichere Erfassung der Magnetspuren auch dann möglich, wenn die Hallsensoren einen relativ großen Abstand zu den Magnetspuren aufweisen.
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Neben zweipoligen Umfangsanordnungen der Magnetsegmente sind auch mehrpolige Ausführungen mit einer an den Anwendungsfall anpassten Polzahl möglich.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Stellelement mit einem schnell laufenden Antriebselement, das über ein Untersetzungsgetriebe auf ein Stellglied wirkt, dessen Ist-Position mit Hilfe eines Lagegebers erfassbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein Lagegeber der zuvor beschriebenen Art an dem schnell laufenden Antriebselement vorgesehen ist.
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Bedingt durch die Anordnung des Lagegebers am schnell laufenden Antriebselement ist es auch bei relativ großer Polbreite möglich, eine sehr genaue Positionserfassung des Stellgliedes zu erreichen, wobei bereits auf den Vorteil einer großen Polbreite im Hinblick auf die Positionierung der Hallsensoren relativ zu den Magnetsegmenten hingewiesen worden ist.
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Lagegebers gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lagegebers.
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In 1 ist schematisch ein Lagegeber 10 gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieser besteht aus einem vielpoligen Magnetrad 12, wobei die Magnetpole 14 auf der Umfangsfläche in Umfangsrichtung abwechselnd polarisiert angeordnet sind und eine Polbreite W besitzen. Das Magnetrad 12 wirkt mit einem Doppelhallsensor 16 mit Quadratur-Decodierung zusammen, wobei zwei einzelne Hallsensoren 18, 20 in einem Abstand ½ W, d. h. der Hälfte der Polbreite auf einem gemeinsamen Kristall angeordnet sind. Der Doppelhallsensor 16 kann auch die elektronischen Bauelemente für die Decodierung enthalten.
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Bedingt durch die in Umfangsrichtung aufeinander folgende Anordnung der beiden Hallsensoren 18, 20 ergibt sich eine Phasenverschiebung der Signalverläufe der beiden einzelnen Hallsensoren, so dass neben dem tatsächlichen Drehwinkel auch eine Bestimmung der Drehrichtung möglich ist. In der Praxis haben sich Polbreiten von ungefähr 3 mm durchgesetzt, da kleinere Polbreiten es erfordern, den Hallsensor 16 näher an das Magnetrad 12 heranzurücken, während größere Polbreiten wegen den dann notwendigerweise weiter auseinander liegenden einzelnen Hallsensoren 18, 20 in der Regel deren Fertigung auf einem Kristall unwirtschaftlich werden lassen. Bei baulich getrennten Hallsensoren besteht wiederum das Problem, dass mit zunehmender Polbreite die Umfangskrümmung die Anordnung der einzelnen Hallsensoren mit größerem Abstand auf einer Leiterplatte erschwert.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Lagegeber 30 gezeigt, der aus zwei axial beabstandet liegenden Magneträdern 32, 34 und zwei auf einer Leiterplatte 36 angeordneten, in gleichem Abstand zueinander liegenden Hallsensoren 38, 40 besteht. Die beiden Magneträder 32, 34 sind auf ihrem Umfang abwechselnd magnetisiert, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zweipolige Magnete eingesetzt werden, d. h. die Polbreite entspricht dem halben Außenumfang des jeweiligen Magnetrades.
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Weiterhin ist zu ersehen, dass das erste Magnetrad 32 gegenüber dem zweiten Magnetrad 34 um 90° verdreht angeordnet ist, so dass entsprechend die durch die Hallsensoren 38, 40 erzeugten Ausgangssignale um 90° versetzt zueinander sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der beiden Hallsensoren kann wiederum ausgenutzt werden, um neben der Änderung des Drehwinkels auch die Drehrichtung eines Antriebes 42 zu ermitteln, auf dessen Abtriebswelle 44 die beiden Magneträder 32, 34 angeordnet sind. Bedingt durch die parallel zueinander angeordneten Magneträder 32, 34 ergibt sich auch eine Verdoppelung der Auflösungsgenauigkeit, d. h. mit den beiden winkelversetzt angeordneten zweipoligen Magneträdern 32, 34 lässt sich eine einem vierpoligen Magnetrad entsprechende Auflösung erreichen.
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Die Magneträder 32, 34 können massive Magnete sein oder lediglich auf ihrem Außenumfang die entsprechend magnetisierten Magnetspuren aufweisen, um Kosten für das Magnetmaterial einzusparen.
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Anstelle der beiden in 2 gezeigten, baulich getrennten Hallsensoren 38, 40 ist auch eine Verwendung des in 1 gezeigten und aus dem Stand der Technik bekannten Doppelhallsensors 16 möglich. Im Gegensatz zu der Verwendung mit einem bekannten einzelnen Magnetrad mit kleiner Polbreite, wird der Doppelhallsensor jedoch bei einem Einsatz in einem erfindungsgemäßen Lagegeber 30 um 90° gedreht angeordnet, so dass sein erster Hallsensor 18 mit dem ersten Magnetrad 32 und sein zweiter Hallsensor 20 mit dem zweiten Magnetrad 34 oder umgekehrt zusammenwirkt. Die Breite der Magneträder, die durch ein zwischenliegendes, nicht magnetisches Material getrennt sein können, sollte sich im Falle der Verwendung eines Doppelhallsensors 16 an dem vorgegebenen Abstand der beiden Hallsensoren 18, 20 orientieren.
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Nicht notwendig ist bei der Verwendung des bekannten Doppelhallsensors eine bestimmte Anpassung der Polbreite der Magneträder 32, 34, da durch die um 90° verdrehte Anordnung eine gleichzeitige Beeinflussung beider Hallsensoren durch einen Magnetpol ausgeschlossen ist. Die Wahl der Polbreite bei dem erfindungsgemäßen Lagegeber 30 hat daher lediglich einen Einfluss auf den möglichen Abstand zwischen den Hallsensoren 38, 40 und den Umfangsflächen der Magneträder 32, 34. Bei der gezeigten zweipoligen Ausführung der Magneträder ergibt sich ein maximal möglicher Abstand, wobei auch Fertigungstoleranzen beim Anordnen der Leiterplatte 36 in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Antrieb 42 ohne wesentlichen Einfluss auf die Signalqualität bleiben.
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Die gezeigte Ausführungsform mit nur zweipoligen Magneträdern 32, 34 kann besonders vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo ein relativ schnell laufender Antriebsmotor über ein nachfolgendes Untersetzungsgetriebe auf ein Stellglied wirkt, wobei auf einen vergleichsweise kleinen Verstellbereich eine große Anzahl von Umdrehungen des Antriebsmotors kommen. Damit erhöht sich die Auflösung des Lagegebers um das Untersetzungsverhältnis des nachfolgenden, in 2 nicht gezeigten Untersetzungsgetriebes.
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Je nach räumlichen Gegebenheiten kann es auch sinnvoll sein, die beiden Hallsensoren 38, 40 oder einen Doppelhallsensor 16 mit zwei stirnseitig an einem Magnetrad angeordneten Magnetspuren zusammenwirken zu lassen. So ist es beispielsweise ohne weiteres möglich, zwei Ringelemente mit unterschiedlichen Durchmessern koaxial ineinander anzuordnen und zur Ausbildung der Pole an ihren stirnseitigen Ringflächen abwechselnd zu magnetisieren. Die in 2 gezeigte Anordnung bietet jedoch den Vorteil, dass auch der elektrische Antriebsmotor unmittelbar auf der Leiterplatte 36 angeordnet werden kann, ebenso wie die Treiberelektronik dieses Antriebsmotors.
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Zur weiteren Erhöhung der Auflösung des Lagegebers ist es vorstellbar, zusätzliche Hallsensoren mit weiteren zugeordneten Magneträdern vorzusehen.
