DE102009032958A1

DE102009032958A1 - Pneumatischer Steller

Info

Publication number: DE102009032958A1
Application number: DE102009032958A
Authority: DE
Inventors: Markus Johnen
Original assignee: SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
Current assignee: SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Steller mit einem Gehäuse (1, 2), einer Membran (3), die in dem Gehäuse (1, 2) einen Arbeitsraum abteilt, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist, einer aus dem Gehäuse (1, 2) herausragenden Stange (7), die in ihrer Längsrichtung beweglich und mit der Membran (3) gekoppelt ist, einem magnetischen Positionsgeber (8), der einer Bewegung der Stange (7) folgt, und einem Magnetfeldsensor (9) zum Ermitteln der Position des Positionsgebers (8). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor (9) zum Ermitteln der Position des Positionsgebers (8) eine Winkelinformation liefert, die angibt, unter welchem Winkel von dem Positionsgeber (8) ausgehende Magnetfeldlinien auf den Magnetfeldsensor (9) treffen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem pneumatischen Steller mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Solche pneumatischen Steller werden auch als pneumatische Aktoren bezeichnet und insbesondere im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen verwendet, beispielsweise zum Betätigen von Abgasrückführventilen und Abgasklappen oder als Ladedruckregler für Abgasturbolader.
Für eine präzise Steuerung derartiger Steller ist es wünschenswert, die Position der als Stellglied dienenden Stange des Stellers möglichst einfach und präzise erfassen zu können. Im Handel sind verschiedene pneumatische Steller erhältlich, welche die Position der Stange durch eine magnetische Messung erfassen. Einerseits ist es bekannt, mit einem Hallsensor die mit zunehmendem Abstand abnehmende Feldstärke eines Gebermagneten zu messen und aus der Feldstärke die Position zu ermitteln. Andererseits ist es bekannt, die vom Ort eines Gebermagneten abhängende Sättigung eines magnetischen Kreises auszuwerten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Position der als Stellglied dienenden Stange präziser erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen pneumatischen Steller mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Steller wird die Position des Positionsgebers und damit die Position der Stange aus dem Winkel ermittelt, unter welchem von dem Positionsgeber ausgehende Magnetfeldlinien auf den Magnetfeldsensor treffen. Der Sensor eines erfindungsgemäßen Stellers ist ein Magnetfeldsensor, der eine entsprechende Winkelinformation liefert. Die Winkelinformation kann beispielsweise als Verhältnis der in unterschiedlichen Richtungen gemessenen Magnetfeldstärken geliefert werden. Der Magnetfeldsensor eines erfindungsgemäßen Stellers misst deshalb die Magnetfeldstärke bevorzugt in wenigstens zwei, vorzugsweise drei, zueinander senkrechten Richtungen. Aus dem Verhältnis der Magnetfeldstärken, beispielsweise By/Bz, kann die Position zuverlässig bestimmt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Stellern, bei denen die Position der Stange aus dem Betrag der Feldstärke am Ort des Magnetfeldsensors bestimmt wird, lässt sich bei einem pneumatischen Steller die Position der Stange wesentlich präziser ermitteln.
Dies liegt daran, dass die Feldstärke am Ort des Magnetfeldsensors zwar empfindlich von der Position des Positionsgebers abhängt, jedoch bereits kleine Positionsabweichungen des Positionsgebers in Bezug auf eine vorgesehene Position relativ zur Stange zu einem erheblichen Fehler führen können. Bei der Montage des Positionsgebers herkömmlicher Steller müssen deshalb kleine Toleranzen eingehalten werden und/oder eine aufwendige Kalibrierung durchgeführt werden. Zudem ist die Stärke des von dem Positionsgeber erzeugten Magnetfeldes auch von der Temperatur abhängig, so dass die Präzision der Positionsbestimmung auch durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden kann. Im Gegensatz zur Feldstärke ist der erfindungsgemäß für die Positionsbestimmung verwendete Winkel praktisch temperaturunabhängig. Bei der Montage sind deutlich größere Toleranzen erlaubt, da das Sensorsystem nach dem Zusammenbau im Gesamtsystem kalibriert werden kann. Diese Möglichkeit bieten herkömmliche Systeme nicht. Indem die Position des Positionsgebers aus dem Winkel der Magnetfeldlinien bestimmt wird, kann deshalb vorteilhaft die Präzision der Positionsbestimmung erhöht werden.
Der Positionsgeber kann im einfachsten Fall durch einen Permanentmagneten realisiert werden. Bevorzugt ist der Permanentmagnet in Längsrichtung der Stange orientiert. Es ist aber auch möglich, den Permanentmagneten quer zur Längsrichtung der Stange zu orientieren.
Die Messgenauigkeit kann zusätzlich dadurch gesteigert werden, dass als Positionsgeber zwei Permanentmagnete verwendet werden, die in entgegen gesetzter Richtung orientiert sind. Zwischen den beiden Permanentmagneten haben die Feldlinien des Magnetfelds eine besonders starke Krümmung, so dass sich der von dem Magnetfeldsensor ermittelte Winkel bei einer Bewegung der Stange dann besonders stark ändert.
Bevorzugt ist der Sensor so angeordnet, dass der Positionsgeber an ihm vorbei bewegt werden kann. Auf diese Weise ergibt sich bei einer Längsbewegung der Stange eine besonders ausgeprägte Änderung des Winkels, unter dem die von dem Positionsgeber ausgehenden Feldlinien auf den Sensor treffen. Es ist aber auch möglich, den Sensor am Ende des maximalen Verschiebungswegs anzuordnen, so dass der Positionsgeber bei einer Bewegung der Stange auf den Sensor zu oder von dem Sensor weg bewegt wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Position einer in ihrer Längsrichtung beweglichen Stange eines pneumatischen Stellers, die als Stellglied aus einem Gehäuse herausragt, in dem von einer Membran ein an eine Über- oder Unterdruckquelle angeschlossener Arbeitsraum abgeteilt ist, wobei die Stange und mit der Membran und einem magnetischen Positionsgeber gekoppelt ist, wird mit einem Magnetfeldsensor das Verhältnis der Magnetfeldstärke in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessen und aus diesem Verhältnis die Position bestimmt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche und einander entsprechende Teile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellers;
2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Magnetfeldlinien zwischen Positionsgeber und Magnetfeldsensor des Stellers;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel; und
5 eine schematische Darstellung des Feldlinienverlaufs bei einer alternativen Anordnung des Positionsgebers in Bezug auf den Magnetfeldsensor.
Bei dem in 1 dargestellten pneumatischen Steller handelt es sich um einen Ladedruckregler für Abgasturbolader von Brennkraftmotoren für Automobile. Der Ladedruckregler hat ein zweiteiliges Gehäuse, das einen Boden 1 und einen Deckel 2 aufweist. In dem Gehäuse befindet sich zwischen Boden 1 und Deckel 2 eine eingespannte Membran 3, die in dem Gehäuse einen Arbeitsraum abteilt, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist.
Aus dem Boden 1 des Gehäuses ragt eine Stange 7 heraus, die mit der Membran 3 gekoppelt ist, beispielsweise indem die Stange 7 an einem Membranteller 5 befestigt ist, an dem die Membran 3 anliegt. Die Stange 7 ist gegen die Kraft einer Rückstellfeder 6 in Längsrichtung beweglich und wird deshalb bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Arbeitsraumes weiter aus dem Gehäuse heraus geschoben bzw. in das Gehäuse hineingezogen.
Die Position der Stange 7 kann mit einem magnetischen Positionsgeber 8 und einem Magnetfeldsensor 9, beispielsweise einem Hall-Sensor und/oder einem magnetoresistiven Senor, erfasst werden. Der Positionsgeber 8 enthält einen Permanentmagneten 8a, beispielsweise einen Ferritmagneten, einen AlNiCo-Magneten oder einen Seltenerdmagneten, beispielsweise aus NdFeB oder SmCo.
Der Magnetfeldsensor 9 liefert eine Winkelinformation, die angibt, unter welchem Winkel von dem Positionsgeber 8 ausgehende Magnetfeldlinien auf den Magnetfeldsensor 9 treffen. Diese Winkelinformation kann als Verhältnis von in unterschiedlichen Richtungen gemessenen Magnetfeldstärken ermittelt werden. Bevorzugt wird dazu die Feldkomponente in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse der Stange 7, und in radialer Richtung gemessen. In 2 ist schematisch der Verlauf der von dem Magneten 8a des Positionsgebers 8 ausgehenden Feldlinien im Bezug auf den Magnetfeldsensor 9 dargestellt. Die axiale Richtung ist in 2 mit y bezeichnet, die radiale Richtung mit z.
Die Position Xpos des Positionsgebers kann bei der in 2 gezeigten Magnetfeldkonfiguration mit der Gleichung Xpos = m·arctan (By/Bz) berechnet werden. Dabei ist m eine durch Kalibrierung zu bestimmende Konstante; By und Bz sind die in y- bzw. z-Richtung gemessenen Feldstärken des Magnetfeldes.
2 verdeutlicht, dass der Magnetfeldsensor 9 so angeordnet ist, dass der Positionsgeber 8 durch eine Bewegung der Stange 7 an dem Magnetfeldsensor vorbei bewegt werden kann. Wenn sich der Positionsgeber 8 auf einer Höhe mit dem Magnetfeldsensor 9 befindet, treffen die Feldlinien unter einem flachen Winkel von etwa 180° auf den Magnetfeldsensor 9. Wenn sich der Positionsgeber 8 in Längsrichtung der Stange gesehen vor oder hinter dem Magnetfeldsensor 9 befindet, treffen die Magnetfeldlinien dagegen unter einem zunehmend steileren Winkel auf den Magnetfeldsensor 9. Aus dem Winkel der Magnetfeldlinien kann deshalb auf die Position des Positionsgebers 8 und damit auf die Position der Stange 7 geschlossen werden.
Der Positionsgeber 8 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über die Membran 3 bzw. über den Membranteller 5 mit der Stange 7 gekoppelt. Es ist aber auch möglich den Positionsgeber 8 unmittelbar an der Stange 7 zu befestigen und diese abgedichtet durch den Membranteller 5 hindurch zu führen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Positionsgeber 8 von der Rückstellfeder 6 umgeben. Um störende Magnetfeldeinflüsse der Feder 6 abzuschirmen kann zwischen der Rückstellfeder 6 und dem Magnetfeldsensor 9 ein magnetischer Schild 10 angeordnet werden. Der Schild 10 ist aus einem weichmagnetischen Werkstoff, bevorzugt aus einer Eisenlegierung, beispielsweise einer siliziumhaltigen Eisenlegierung. Der Schild 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Federzentrierring ausgebildet. Die Feder 6 umgibt den Schild 10, der sich in Richtung zur Stange 7 hin verjüngt. Der Schild 10 hat eine kegelstumpfförmige Außenfläche, auf welche die Feder 6 bei der Montage leicht aufgesetzt werden kann.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellers. Die Anordnung des Positionsgebers 8 in Bezug auf den Magnetfeldsensor 9 unterscheidet sich nicht von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die Position des Positionsgebers 8 wird also ebenfalls mittels einer von dem Magnetfeldsensor 9 gelieferten Winkelinformation ermittelt.
Der Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht im mechanischen Aufbau des Sensors. Die Rückstellfeder 6 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Gehäuseboden 1, aus dem die Stange 7 herausragt, und der Membran 3 angeordnet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rückstellfeder 6 dagegen zwischen dem Gehäusedeckel 2 und der Membran 3 angeordnet. Der Membranteller 5 befindet sich bei beiden Ausführungsbeispielen jeweils auf der Seite der Rückstellfeder 6. Der Arbeitsraum, also der über eine Anschlussöffnung 4 an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbare Teil des Gehäuseinnenraums, befindet sich bei beiden Ausführungsbeispielen zwischen der Membran 3 und dem Gehäusedeckel 2.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Positionsgeber 8 von der Membran 3 gehalten. Die Membran 3 hat hierfür einen Fortsatz, in dem der Positionsgeber 8 steckt. Der Fortsatz bildet eine Tasche für den Positionsgeber 8.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellers, bei dem die Position der Stange 7 ebenso wie bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mittels einer von dem Magnetfeldsensor 9 gelieferten Winkelinformation ermittelt wird. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen nur in seinem mechanischen Aufbau.
Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbare Arbeitsraum zwischen dem Gehäuseboden 1, aus dem die Stange 7 herausragt und der Membran 3 angeordnet. Die Stange 7 wird deshalb abgedichtet aus dem Gehäuse herausgeführt. Die Abdichtung des Gehäusebodens 1 wird mit einer ringförmigen Membran 11 erreicht, die mit ihrem inneren Rand dichtend an der Stange 7 und mit ihrem äußeren Rand an dem Gehäuseboden 1 befestigt ist.
Der Positionsgeber 8 ist bei dem in 4 darstellten Ausführungsbeispiel an der Stange 7 befestigt. Die Stange 7 ist durch die Membran 3 und den Membranteller 5 abgedichtet hindurchgeführt, indem die Stange 7 von einer Ringdichtung 12 umschlossen ist.
5 zeigt schematisch eine alternative Möglichkeit zur Anordnung des Magnetfeldsensors 9 im Bezug auf den Positionsgeber 8. Bei der in 5 dargestellten Anordnung ist der Magnetfeldsensor 9 nicht neben dem Verschiebeweg des Positionsgebers 8, sondern an dessen Ende angeordnet. Bei einer Verschiebung der Stange 7 kann der Positionsgeber 8 deshalb nur auf den Magnetfeldsensor 9 zu oder von ihm weg bewegt werden. Wenn sich der Positionsgeber 8 nahe an dem Magnetfeldsensor 9 befindet, treffen die Magnetfeldlinien unter einem steilen Winkel von annährend 90° auf den Magnetfeldsensor 9. Je weiter der Positionsgeber 8 von dem Magnetfeldsensor 9 entfernt ist, desto flacher wird dieser Winkel. Bevorzugt wird der Magnetfeldsensor 9 nicht exakt in der Flucht des Verschiebewegs des Positionsgebers 8, sondern leicht versetzt davon angeordnet.
Die in 5 dargestellte Geometrie kann auch dadurch realisiert werden, dass ein in dem Positionsgeber 8 enthaltener Permanentmagnet 8a mit seiner Magnetisierung quer zur Längsrichtung der Stange 7 ausgerichtet ist. Auch bei der in 5 gezeigten Magnetfeldkonfiguration kann die Position Xpos des Positionsgebers mit der Gleichung Xpos = m·arctan (By/Bz) berechnet werden, wobei m eine durch Kalibrierung zu bestimmende Konstante ist. By und Bz sind die in y- bzw. z-Richtung gemessenen Feldstärken des Magnetfeldes.
Bezugszeichenliste

1: Boden
2: Deckel
3: Membran
4: Anschlussöffnung
5: Membranteller
6: Rückstellfeder
7: Stange
8: Positionsgeber
9: Magnetfeldsensor
10: Schild
11: Membran
12: Ringdichtung

Claims

Pneumatischer Steller mit einem Gehäuse (1, 2), einer Membran (3), die in dem Gehäuse (1, 2) einen Arbeitsraum abteilt, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist, einer aus dem Gehäuse (1, 2) herausragenden Stange (7), die in ihrer Längsrichtung beweglich und mit der Membran (3) gekoppelt ist, einem magnetischen Positionsgeber (8), der einer Bewegung der Stange (7) folgt, und einem Magnetfeldsensor (9) zum Ermitteln der Position des Positionsgebers (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) zum Ermitteln der Position des Positionsgebers (8) eine Winkelinformation liefert, die angibt, unter welchem Winkel von dem Positionsgeber (8) ausgehende Magnetfeldlinien auf den Magnetfeldsensor (9) treffen.
Steller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) die Winkelinformation ermittelt, indem die Magnetfeldstärke in wenigstens zwei, vorzugsweise drei, zueinander senkrechten Richtungen gemessen wird.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelinformation als Verhältnis von zwei in unterschiedlichen Richtungen gemessenen Magnetfeldstärken geliefert wird.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) wenigstens einen Permanentmagneten (8a) enthält.
Steller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der der Magnet (8a) in Längsrichtung der Stange (7) orientiert ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) zwei Permanentmagnete aufweist, die entgegengesetzt orientiert sind.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) einen Hallsensor enthält.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) an einem Membranteller (5) anliegt.
Steller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) zwischen dem Membranteller (5) und dem Magnetfeldsensor (9) angeordnet ist.
Steller nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (7) durch den Membranteller (5) hindurchragt.
Steller nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranteller (5) einer Dichtung (12) trägt, welche die Stange (7) umgibt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (7) an der Gehäuseöffnung von einer Dichtung (11) umgeben ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (7) den Positionsgeber (8) trägt.
Steller nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) an dem Membranteller (5) anliegt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) an dem Magnetfeldsensor (9) vorbei beweglich ist.
Verfahren zum Messen der Position einer in ihrer Längsrichtung beweglichen Stange (7) eines pneumatischen Stellers, die als Stellglied aus einem Gehäuse (1, 2) herausragt, in dem von einer Membran (3) ein an eine Über- oder Unterdruckquelle angeschlossener Arbeitsraum abgeteilt ist, wobei die Stange (7) mit der Membran (3) und einem magnetischen Positionsgeber (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Magnetfeldsensor (9) das Verhältnis der Magnetfeldstärke in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessen und aus diesem Verhältnis die Position bestimmt wird.