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Die
Erfindung betrifft ein Drehstellungssensorsystem für ein
drehbares Begrenzungselement einer beweglichen Vorrichtung, mit
einem ring- oder scheibenförmigen Kodierelement und mit
einem Sensor, wobei das Kodierelement und der Sensor durch Drehung
des Begrenzungselements gegeneinander bewegbar sind, und mit einer
Auswerteschaltung zur Bestimmung der Drehstellung des Begrenzungselements.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 023 926 A1 ist
eine Schalthebelanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt,
bei der der Betätigungsweg des Schalthebels durch einen
motorisch in den Betätigungsweg drehbaren Exzenter begrenzt werden
kann. Je nach Stellung des Exzenters kann die Schalthebelbetätigung
gesperrt oder freigegeben werden. Zur genauen Steuerung der Exzenterstellung
ist ein, in diesem Dokument nicht beschriebenes, Drehstellungssensorsystem
erforderlich. In Seriengeräten der Anmelderin wird hierzu
ein mit der Exzenterwelle verbundener Magnetring verwendet. Ein Hallsensor
erfasst als analoge Größe die Stärke
des Magnetfelds, welches von der Winkelstellung des Magnetrings
abhängt.
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Ein
derartiges Drehstellungssensorsystem liefert ein gut aufgelöstes
Positionssignal; er ist allerdings auch relativ kostenaufwendig.
Zu Bestimmung der Drehstellung einer Exzenter- oder Sperrnockenwelle
ist eine genaue Erfassung der Winkelstellung zumeist gar nicht erforderlich.
Für viele Anwendungsfälle ist es ausreichend,
einige wenige Drehstellungsbereiche unterscheiden zu können.
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Wird
etwa ein Exzenter als Begrenzungselement für einen Schalthebel
verwendet, ist es oft ausreichend, festzustellen, ob der Schalthebel
durch den Exzenter gesperrt oder freigegeben ist, oder ob sich der
Exzenter in einer Zwischenstellung befindet. Es sind daher lediglich
drei relevante Drehstellungsbereiche voneinander zu unterscheiden.
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Ein
einfacher digitaler Sensor, der eine Kodierspur abtastet, kann üblicherweise
zwei Kodierungen und damit zwei zugeordnete Drehstellungsbereiche
unterscheiden. Zur Unterscheidung von drei Drehstellungsbereichen
sind somit mindestens zwei digitale Sensorelemente erforderlich,
die beispielsweise zwei verschiedene Kodierspuren abtasten. Eine
derartige Anordnung ist immer noch relativ aufwendig zu realisieren.
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Es
stellte sich daher die Aufgabe, einen besonders einfaches und kostengünstiges
Drehstellungssensorsystem zur Unterscheidung einer geringen Anzahl
von Positionen eines drehbaren Begrenzungselements, insbesondere
einer Exzenterwelle, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Drehstellungssensorsystems gehen aus den abhängigen Ansprüchen sowie
aus der Beschreibung des nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels hervor. Es zeigen:
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1 den
Magnetring eines Drehstellungssensors,
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2 den
Zusammenhang zwischen der Kodierung des Magnetrings und der Drehstellung
einer Exzenterwelle,
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3 eine
Schalthebelanordnung mit einem Drehstellungssensorsystem.
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Die 3 zeigt
einen Schalthebel 1 mit einer Ausnehmung 2 für
eine Drehachse 3, um die herum der Schalthebel 1 verschwenkbar
ist. Für den Schalthebel 1 können darüber
hinaus weitere Bewegungsmöglichkeiten vorgesehen sein,
was beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte kardanische
Lagerung des Schalthebels 1 realisierbar wäre.
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Bei
einer Verschwenkung um die dargestellte Drehachse 3 trifft
der untere Abschnitt des Schalthebels 1 in einer Betätigungsrichtung
auf ein Begrenzungselement, welches hier durch einen auf einer Exzenterwelle 10 angeordneten
Exzenter 6 ausgebildet ist. Zur besseren mechanischen Kopplung
zwischen dem Schalthebel 1 und dem Exzenter 6,
sind diese über ein Zwischenstück 4 miteinander
verbunden. Statt des Exzenters 6 kann als Begrenzungselement
auch ein in den Betätigungsweg des Schalthebels 1 drehbarer
Sperrnocken vorgesehen sein.
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Ein
Elektromotor 8 treibt über ein Schneckengetriebe 9 die
Exzenterwelle 10 mit dem Exzenter 6 an. Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass die Exzenterwelle 10 über
einen Kurbeltrieb durch einen linear wirkenden Aktuator gestellt
wird.
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Die
Exzenterwelle 10 kann über das Schneckengetriebe 9 in
zwei Endpositionen gedreht werden. Die in der 3a dargestellte
Drehstellung A des Exzenters 6 entspricht einer gelösten
Sperre; der Exzenter 6 ist dem Schalthebel 1 abgewandt
und begrenzt den Schalthebelweg nicht. Der Schalthebel 1 kann
damit frei zumindest zwischen einer in Richtung auf den Exzenter 6 ausgelenkten
Schalthebelposition und der mittleren neutralen Schalthebelposition
hin und her bewegt werden. Befindet sich der Exzenter 6 dagegen
in der Drehstellung C, dargestellt in der 3b,
so ist eine Auslenkung des Schalthebels 1 in Richtung auf
den Exzenter 6 blockiert.
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Die
dargestellte Begrenzungsvorrichtung wirkt somit auf genau eine Betätigungsrichtung
des Schalthebels 1 begrenzend ein; selbstverständlich können
bedarfsweise für weitere Betätigungsrichtungen
des Schalthebels 1 zusätzliche Begrenzungsvorrichtungen
vorgesehen sein.
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Durch
den Elektromotor 8 kann zusätzlich eine automatische
Rückstellung des Schalthebels 1 in die neutrale
mittlere Position realisiert werden. Es sei angenommen, der Schalthebel 1 sei
derart gelagert, dass er seine möglichen Schaltpositionen
rastend einnimmt. Weiter sei angenommen, der Schalthebel 1 befände
sich in der in der 3a dargestellten
ausgelenkten Schalthebelstellung und der Exzenter 6 entsprechend
in der Drehstellung A. Wird die Exzenterwelle 10 nun über
das Schneckengetriebe 9 in die Drehstellung C gedreht,
welche die 3b zeigt, so bewegt der
Exzenter 6 den Schalthebel 1 über das
Zwischenstück 4 in seine neutrale Schalthebelposition
zurück.
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Wird
dabei der Exzenter 6 über die Drehstellung C hinaus
weiter bis in die Drehstellung A gefahren, so gibt der Exzenter 6 über
das Zwischenstück 4 den Schalthebel 1 wieder
frei und ermöglicht eine freie Betätigung des
Schalthebels 1.
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Bleibt
der Exzenter 6 dagegen in der Drehstellung C stehen so,
bleibt die Betätigung des Schalthebels 1 in Richtung
auf den Exzenter 6 gesperrt. Die von der Sperre aufzunehmenden
Kräfte werden von einer neben dem Exzenter 6 liegenden Lagerstellen
der Exzenterwelle 10 aufgenommen. Charakteristisch für
eine derartige Schalteinrichtung ist, dass bei fehlender Stromzufuhr
zum Elektromotor 8, der Bediener die eingelegte Sperre
aufgrund der Selbsthemmung des Schneckengetriebes 9 nicht mehr
lösen kann. Die Bewegungsfreiheit des Schalthebels 1 bleibt
in einem solchen Fall daher eingeschränkt.
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Zur
Erfassung der momentanen Drehstellung des Exzenters 6 ist
auf der Exzenterwelle 10 ein Magnetring 5 mit
einer magnetischen Kodierung angeordnet. Diese Kodierung wird von
einem Hallsensor 7 erfasst, der der erfassten Kodierung
entsprechende digitale Signale an eine Auswerteschaltung 11 gibt.
Die Auswerteschaltung 11 bestimmt aus diesen Signalen und
aus den Änderungen dieser Signale die momentane Drehstellung
des Exzenters 6. Insbesondere bestimmt die Auswerteschaltung 11,
ob sich der Exzenter 6 in der den Schalthebel 1 freigebenden
Drehstellung A oder in der den Schalthebel 1 sperrenden
Drehstellung C befindet, oder aber in einer hier nicht abgebildeten
Zwischenstellung B zwischen den Drehstellungen A und C.
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Die
Auswerteschaltung 11 steuert hier außerdem, insbesondere
unter Berücksichtigung der aktuell erfassten Drehstellung
des Exzenters 6, den Elektromotor 8 an; daher
ist der Auswerteschaltung 11 die momentane Drehrichtung
des Elektromotors 8 jederzeit bekannt.
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Die
Kodierung des Magnetrings 5 ist in der 1 durch
hell und dunkel dargestellte Winkelbereiche schematisch dargestellt.
Ersichtlich ist, dass der Magnetring 5 vier Kodierungssektoren
(a, b, c, d) mit abwechselnder Magnetpolarität besitzt,
so dass der erste und der dritte Kodierungssektor (a, c) eine erste
Magnetpolarität, und der zweite und vierte Kodierungssektor
(b, d) eine zweite Magnetpolarität aufweist. Wenigstens
zwei der Kodierungssektoren (b, d) mit gleicher Magnetpolarität
belegen deutlich unterschiedlich große Winkelbereiche auf
dem Magnetring 5.
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Den
Zusammenhang zwischen der Kodierung des Magnetrings 5 und
der Drehstellung der Exzenterwelle 10 verdeutlicht schematisch
die 2. Dargestellt sind zunächst die drei
zu unterscheidenden Drehstellungsbereiche (A, B, C) der Exzenterwelle 10.
Die obere gestrichelte Linie deutet den Verlauf des Exzenterradius
an, der in dem den Schalthebel 1 freigebenden Drehstellungsbereich
A und in dem den Schalthebel 1 sperrenden Drehstellungsbereich
C jeweils einen konstanten Radius aufweist, der sich im Zwischenbereich
B linear mit dem Winkel verändert.
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Die
darunter abgebildete Impulsfolge zeigt die Zuordnung der magnetischen
Kodierungssektoren (a, b, c, d) des Magnetrings 5 zu den
vorgenannten Drehstellungen (A, B, C). Die dargestellten Impulse
stellen das digitale Ausgangssignal des Hallsensors 7 dar,
wobei hier beispielhaft, der Magnetkodierung der in der 1 dunkel
gekennzeichneten Kodierungssektoren (a, c) der Impulswert I und
der Magnetkodierung der hell dargestellten Kodierungssektoren (b,
d) der Impulswert 0 zugeordnet ist. Erkennbar ist, dass sowohl zu
dem den Schalthebel 1 freigebenden Drehstellungsbereich
A als auch zu der Zwischenstellung B genau ein Kodierungssektor
(a, b) des Magnetrings 5 mit einer bestimmten Magnetkodierung
gehört, deren Winkelbereiche genau mit dem des Drehstellungsbereichen
(A, B) übereinstimmt.
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In
den Drehstellungsbereich C, in der der Schalthebel 1 gesperrt
ist, fallen die beiden Kodierungssektoren c und d des Magnetrings 5.
An den Drehstellungsbereich C schließt sich beim Weiterdrehen
des Elektromotors 8 wieder der den Schalthebel 1 freigebende
Drehstellungsbereich A an, so dass die 2 einen
Ausschnitt aus einer sich wiederholenden zyklischen Abfolge zeigt.
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Der
schmale Kodierungssektor d des Magnetrings 5 dient zur
Erzeugung eines Synchronisationssignals 12, um den Übergangsbereich
zwischen den Drehstellungsbereichen A und C zu definieren, von der
aus die Auswerteschaltung 11 die nachfolgenden Kodierungssektoren,
unter Berücksichtigung der bekannten Drehrichtung des Elektromotors 8, zählen
kann.
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Wesentlich
ist, dass der Kodierungssektor d im Vergleich zum Kodierungssektor
b, der den Zwischenbereich B kodiert, sehr schmal ausgeführt
ist. Dies ist dadurch begründet, dass die Kodierungssektoren
b und d die gleiche magnetische Polarität aufweisen und
daher durch den, Magnetpolaritäten digital erfassenden,
Hallsensor 7 nicht zu unterscheiden sind.
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Ein
Unterscheidung der Kodierungssektoren b und d erfolgt daher durch
die Auswerteschaltung 11 aufgrund der unterschiedlichen
Winkelbreite dieser Kodierungssektoren. Hierzu bestimmt die Auswerteschaltung 11 den
zeitlichen Abstand, zwischen unterschiedlichen vom Hallsensor 7 erfassten
Signalen. Grundsätzlich können so breite und schmale
Winkelbereiche belegende Kodierungen des Magnetrings 5 leicht
unterschieden werden.
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Eine
Schwierigkeit ergibt sich allerdings dadurch, dass auf eine Erfassung
der Drehzahl des Elektromotors 8 verzichtet werden soll,
da die hierfür erforderliche Sensorik einen beträchtlichen
zusätzlichen Kostenaufwand verursachen würde.
Da die Motordrehzahl aber keine konstante Größe
ist, sondern im Gegenteil erheblichen belastungsabhängigen Schwankungen
unterliegen kann, ist die absolute Messung von Winkelbreiten der Kodierungssektoren (a,
b, c, d) praktisch nicht möglich. Es wäre daher
insbesondere nicht möglich, Kodierungssektoren ähnlicher
Winkelbreite, wie zum Beispiel die Kodierungssektoren a und c, zu
unterscheiden.
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Möglich
ist dagegen eine Abschätzung der Motordrehzahl hinsichtlich
einer oberen und einer unteren Grenze, so dass für die
Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle 10 und damit des
Magnetrings 5 immer ein Wert zwischen einem oberen Grenzwert ωmax und einem unteren Grenzwert ωmin zu erwarten ist.
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Eine
zur Erfindung führende Überlegung beruht nun darauf,
dass zwei unterschiedlich breite Kodierungssektoren (b, d) dann
eindeutig zu unterscheiden sind, wenn sich der schmalere Kodierungssektor
d auch bei minimaler Winkelgeschwindigkeit ωmin der
Exzenterwelle 10 schneller an dem Hallsensor vorbeibewegt
als der breitere Kodierungssektor b bei der maximal möglichen
Winkelgeschwindigkeit ωmax.
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Bezeichnet
man die von den Kodierungssektoren b und d belegten Winkelbereiche
mit den Symbolen b* bzw. d*, so folgt die Bedingung:
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Ist
also das Verhältnis zwischen dem vom größeren
Kodierungssektor b belegten Winkelbereich b* zu dem vom kleineren
Kodierungssektor d belegten Winkelbereich d* größer
als das Verhältnis von maximaler zu minimaler Motordrehzahl
(ωmax, ωmin),
so kann ein durch den Kodierungssektor d definiertes Synchronisationssignal 12 eindeutig
erkannt werden.
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Das
Synchronisationssignal 12 entsteht durch das Vorbeilaufen
des Kodierungssektors d am Hallsensor 7, in Richtung zum
Kodierungssektor a bzw. c, je nach Drehrichtung des Elektromotors 8.
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Hierbei
wird, wie die 2 zeigt, unabhängig von
der Motordrehrichtung, vom Hallsensor 7 eine magnetische
Kodierung erfasst wird, die zu der Impulsfolge I → 0 → I
führt, die an die Auswerteschaltung 11 weitergeleitet
wird.
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Stellt
die Auswerteschaltung
11 fest, dass für den zeitlichen
Abstand t zwischen den beiden Signalübergänge
I → 0 und 0 → I gilt
so ist das Synchronisationssignal
12 eindeutig
erkannt, und das folgende logische I-Signal des Hallsensors
7 kann,
abhängig von der bekannten Motordrehrichtung eindeutig
dem Kodierungssektor a bzw. c zugeordnet werden.
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Nach
dem erkannten Synchronisationssignal 12 ist damit auch
jeder weitere vom Hallsensor 7 erfasste Kodierungssektor
(a, b, c, d), und damit auch die jeweils zugehörige Drehstellung
(A, B, C) der Exzenterwelle 10 eindeutig zuordenbar.
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Der
aktuell erreichte Kodierungssektor (a, b, c, d), kann, etwa kodiert
als eine 2-bit-Information, in einem Speicher der Auswerteschaltung 11 gehalten werden.
Geht dieser gespeicherte Wert verloren, beispielsweise weil die
Stromversorgung des Speichers unterbrochen wurde, kann die Synchronisation
leicht durch einen Synchronisationslauf über eine Umdrehung
der Exzenterwelle 10 wiederhergestellt werden.
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Es
sei angemerkt, dass der digitale Sensor des erfindungsgemäßen
Drehstellungssensorsystems nicht unbedingt ein Hallsensor sein muss,
sondern dass seine Funktion auch auf anderen physikalischen Wirkprinzipien
beruhen kann. Beispielsweise kann ein optischer Sensor vorgesehen
sein, der eine optische Kodierscheibe abtastet.
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Die
Anzahl der zu unterscheidenden Drehstellungsbereiche kann durchaus
auch größer als drei sein, solange gewährleistet
ist, dass ein Kodierungssektor zur Gewinnung eines Synchronisationssignals
aufgrund seines belegten Winkelbereichs deutlich von anderen Kodierungssektoren
unterscheidbar ist.
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- 1
- Schalthebel
(bewegliche Vorrichtung)
- 2
- Ausnehmung
- 3
- Drehachse
- 4
- Zwischenstück
- 5
- Kodierelement
(Magnetring)
- 6
- Begrenzungselement
(Exzenter)
- 7
- Sensor
(Hallsensor)
- 8
- Elektromotor
(Aktuator)
- 9
- Schneckengetriebe
- 10
- Exzenterwelle
- 11
- Auswerteschaltung
- 12
- Synchronisationssignal
- a,
b, c, d
- Kodierungssektoren
- b*,
d*
- Winkelbreite
(belegter Winkelbereich) des Sektors b bzw. d
- t
- zeitlicher
Abstand
- ωmax
- oberer
Grenzwert der Winkelgeschwindigkeit
- ωmin
- unterer
Grenzwert der Winkelgeschwindigkeit
- A,
B, C
- Drehstellung(sbereiche)
- 0,
I
- Impulswerte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005023926
A1 [0002]