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Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe von Hall-Sensoren.
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Positionsmesseinrichtungen, wie zum Beispiel Drehgeber, werden in unterschiedlichen Anwendungsgebieten eingesetzt, um beispielsweise Längs- oder Winkelpositionen zu ermitteln.
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Bekannt sind Positionsmessvorrichtungen, die als Positionssensoren beispielsweise zwei Hall-Sensoren verwenden. Die Hall-Sensoren tasten eine Maßverkörperung derart ab, dass zwei sinusförmige Abtastsignale entstehen, die zueinander eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Die beiden Sensorsignale können in digitaler oder analoger Weise verarbeitet werden, um einen Positionswert bestimmen zu können. Insbesondere werden die Quotienten der Sensorsignale verwendet, um daraus mittels der Arcustangens-Funktion den dazugehörigen Positionswert zu berechnen. Ein derartiges Positionsmesswertsystem hat den Nachteil, dass ein den beiden Sensorsignalen überlagertes, magnetisches Gleichfeld zu Messfehlern führen kann.
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Ein zwei Hall-Sensoren aufweisendes Positionsmesssystem ist aus der
US2007/0093980 A1 bekannt. Dieses Positionsmesssystem weist eine Recheneinheit auf, die die Amplitudenwerte der beiden Hall-Sensoren in sequentieller Weise korrigiert. Die korrigierten Amplitudenwerte werden dann in sequentieller Weise weiterverarbeitet und über einen Addierer als Positionswert ausgegeben.
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Um durch ein magnetisches Gleichfeld verursachte Messfehler reduzieren zu können, sind Positionsmesssysteme entwickelt worden, die jeweils zwei paarweise gegenüberliegende Hall-Sensoren aufweisen. Die von jeweils zwei gegenüberliegenden Hall-Sensoren gelieferten Sensorsignale werden voneinander abgezogen, um das überlagerte magnetische Gleichfeld zu eliminieren. Dann können die Quotienten der Differenzsignale berechnet und mittels der Arcustangens-Funktion ein Positionswert bestimmt werden. Ein solches Messsystem ist beispielsweise aus der
EP 0916074 A1 bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine weitere Positionsmessvorrichtung sowie ein Messverfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen nicht nur Sensorsignalen überlagerte Gleichfelder eliminiert, sondern auch den Sensorsignalen überlagerte Oberwellen unterdrückt werden können. Zudem zeichnet sich die Positionsmessvorrichtung durch eine kostengünstige, schaltungstechnische Realisierung aus.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, wenigstens drei Hall-Sensoren zu verwenden. Die von den Hall-Sensoren gelieferten Sensorsignale werden jeweils einem Verstärker zugeführt. Die Verstärker sind über einen Sternpunkt miteinander verschaltet. Auf diese Weise können Messfehler eliminiert werden, die durch magnetische Gleichfelder oder Oberwellen verursacht werden, welche den Sensorsignalen überlagert sind. Eine einfache schaltungstechnische Realisierung ergibt sich dadurch, dass die Sensorsignale mithilfe eines Regelkreises gewichtet werden, um einen geregelten Positionswert zu erhalten.
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Das oben genannte technische Problem wird zum einen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Positionsmessvorrichtung geschaffen, die wenigstens n Hall-Sensoren aufweist. Die Anzahl n ist ≥ 3. Die n Hall-Sensoren sind derart angeordnet, dass die von den Hall-Sensoren erzeugten, im Wesentlichen sinusförmigen Sensorsignale zueinander eine Phasenverschiebung von 360°/n aufweisen.
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Weiterhin umfasst die Positionsmessvorrichtung eine Schaltungseinrichtung, die aus den Sensorsignalen einen geregelten Positionswert ermitteln kann. Die Schaltungseinrichtung weist hierzu n Verstärker auf, die eingangsseitig über einen Sternpunkt zusammengeschaltet sowie jeweils mit einem der Hall-Sensoren verbunden sind. Der Ausgang jedes Verstärkers ist mit einem separaten Gewichtungselement verbunden. Weiterhin weist die Schaltungseinrichtung einen Addierer auf, der mit den Gewichtungselementen verbunden ist. Ferner enthält die Schaltungseinrichtung einen Regler, der eingangsseitig mit dem Addierer verbunden und derart ausgebildet ist, dass er für jedes Sensorsignal winkelabhängige Gewichtungsfaktoren zur Minimierung des Ausgangssignals erzeugt. Die Ausgänge des Reglers sind jeweils mit einem der Gewichtungselemente verbunden.
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Um einen präzisen, geregelten Positionswert ermitteln zu können, ist es vorteilhaft, dass die Verstärker mit einem Netzwerk verbunden sind, welches die Sensorsignale in vorbestimmter Weise zur Weiterverarbeitung aufbereitet. Vorteilhafter Weise ist das Netzwerk dazu in der Lage, die Verstärkungsfaktoren der Verstärker derart einzustellen, dass die Summe der Quadrate der Sensorsignale auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt wird.
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Um Rotationsbewegungen erfassen zu können, weist die Positionsmessvorrichtung eine scheibenförmige Maßverkörperung mit magnetischen oder magnetisierbaren Bereichen auf.
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Um lineare Bewegungen erfassen zu können, weist die Positionsmessvorrichtung eine stabförmige Maßverkörperung mit magnetischen oder magnetisierbaren Bereichen auf, welche von den Hall-Sensoren abgetastet werden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung werden Multiplizierer als Gewichtungselemente verwendet.
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Bei einer schaltungstechnisch effizienten Realisierung ist n = 3. Die drei Verstärker bilden in diesem Fall Sensorsignale der Form sin(φ + 0°), sin(φ + 120°) bzw. sin(φ + 240°). Der Regler erstellt für die Sensorsignale Gewichtungsfaktoren der Form cos(α + 0°), cos(α + 120°) und cos(α + 240°). Der Addierer liefert somit ein Ausgangssignal, welches durch die Gleichung sin(φ + 0°)cos(α + 0°) + sin(φ + 120°)cos(α + 120°) + sin(φ + 240°)cos(φ + 240°) = ε bestimmt wird. In dieser Gleichung entspricht φ dem Abtastwinkel, ε der Regelabweichung und α dem geregelten Positionswert.
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Eine platz- und energiesparende Implementierung kann erreicht werden, wenn die Hall-Sensoren und die Schaltungseinrichtung auf einem gemeinsamen Chip hergestellt sind.
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Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 8 gelöst. Danach wird ein Verfahren zur Positionsmessung zur Verfügung gestellt. Mittels Hall-Sensoren werden wenigstens n, im wesentlichen sinusförmige Sensorsignale erzeugt, welche zueinander eine Phasenverschiebung von 360°/n aufweisen. n ist ≥ 3. Jedes Sensorsignal wird in einem separaten Verstärker, die über einen Sternpunkt zusammengeschaltet sind, verstärkt. Jedes verstärkte Sensorsignal wird mit einem winkelabhängigen Gewichtungsfaktor gewichtet. Die gewichteten Sensorsignale werden anschließend addiert, um eine Regelabweichung zu erhalten. Aus der Regelabweichung werden die regelabhängigen Gewichtungsfaktoren für jedes Sensorsignal so lange ermittelt, bis die Regelabweichung minimiert ist.
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Vorzugsweise können die Sensorsignale in vorbestimmter Weise zur Weiterverarbeitung aufbereitet werden. Beispielsweise werden die Sensorsignale derart aufbereitet und den Verstärkern zugeführt, dass die Summe der Quadrate der Sensorsignale konstant ist. Dadurch wird ein stabiler Arbeitsbereich der Schaltungen sichergestellt, so dass die Regelabweichung präzise ermittelt werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Positionsmessvorrichtung mit drei Hall-Sensoren, in welcher die Erfindung verwirklicht ist,
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2 eine stabförmige Maßverkörperung in Verbindung mit der in 1 gezeigten Positionsmessvorrichtung zum Erfassen linearer Bewegungen,
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3 eine scheibenförmige Maßverkörperung in Verbindung mit der in 1 gezeigten Positionsmessvorrichtung, um Rotationsbewegungen ermitteln zu können und
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4 eine alternative scheibenförmige Maßverkörperung.
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In 1 ist eine beispielhafte Positionsmessvorrichtung mit drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 gezeigt. Vorzugsweise kann die Positionsmessvorrichtung (2m + 1) Hall-Sensoren aufweisen, wobei m ≥ 1 ist. Die Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 sind mit einer Schaltungseinrichtung 20 verbunden, welche aus den empfangenen Sensorsignalen einen geregelten Positionswert α ermitteln kann. Die Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 sind derart angeordnet, dass sie beim Abtasten einer Maßverkörperung drei im Wesentlichen sinusförmige Sensorsignale erzeugen, die zueinander jeweils eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen. So liefert der Hall-Sensor 90 1 ein Sensorsignal sin(φ + 0°), der Hall-Sensor 90 2 ein Sensorsignal sin(φ + 120°) und der Hall-Sensor 90 3 ein Sensorsignal sin(φ + 240°). Angemerkt sei, dass der Winkel φ dem Abtastwinkel entspricht.
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Die Schaltungseinrichtung 20 weist drei Verstärker 30 1 bis 30 3 auf, die eingangsseitig über einen Sternpunkt 160 miteinander verschaltet sind. Dank der Sternpunkt-Verschaltung der Verstärker 30 1 bis 30 3 kann ein den Sensorsignalen überlagertes magnetisches Gleichfeld eliminiert werden. Bei Verwendung von drei Hall-Sensoren können zudem den Sensorsignalen überlagerte Oberwellen mit dreifacher Frequenz und Vielfachen davon unterdrückt werden. Die Sternpunkt-Verschaltung der Verstärker sorgt dafür, dass die Sensorsignale am Sternpunkt 160 gemittelt werden. Weiterhin ist jeder Hall-Sensor mit einem der Verstärker verbunden. Im beschriebenen Beispiel ist der Hall-Sensor 90 1 mit einem Eingang des Verstärkers 30 1, der Hall-Sensor 90 2 mit einem Eingang des Verstärkers 30 2 und der Hall-Sensor 30 3 mit einem Eingang des Verstärkers 30 3 verbunden. Denkbar ist auch, die Sensorsignale jedes Hall-Sensors in dem zugeordneten Verstärker differentiell zu verstärken.
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Die Ausgänge der Verstärker 30 1 bis 30 3 sind jeweils mit einem Gewichtungselement verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist der Ausgang des Verstärkers 30 1 mit dem Gewichtungselement 40 1, der Ausgang des Verstärkers 30 2 mit dem Gewichtungselement 40 2 und der Ausgang des Verstärkers 30 3 mit dem Gewichtungselement 40 3 verbunden. Bei den Gewichtungselementen 40 1 bis 40 3 kann es sich um Multiplizierer handeln. Die von den Hall-Sensoren gelieferten Sensorsignale werden über die jeweiligen Verstärker 30 1, 30 2 bzw. 30 3 dem jeweiligen Multiplizierer 40 1, 40 2 bzw. 40 3 zugeführt. Die Ausgänge der Multiplizierer 40 1 bis 40 3 sind mit einem Addierglied 50 verbunden. Der Ausgang des Addierglieds 50 ist mit einem Eingang eines Reglers 70 verbunden. Das Ausgangssignal des Addierglieds 50 kann über einen Verstärker 60 dem Regler 70 zugeführt werden. Denkbar ist auch, dass die Verstärkerfunktion und Gewichtungsfunktion, die in der 1 durch einen separaten Verstärker 30 1 bis 30 3 und Multiplizierer 40 1 bis 40 3 dargestellt sind, jeweils in einem einzigen Funktionsblock realisiert werden können. In diesem Fall wird der Verstärkungsfaktor jedes Verstärkerelements durch einen Gewichtungsfaktor entsprechend moduliert.
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Der Regler 70 ist in der Lage, für jedes Sensorsignal winkelabhängige Gewichtungsfaktoren zu bilden, die dem jeweiligen Multiplizierer 40 1 bis 40 3 zugeführt werden. Die von den Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 gelieferten Sensorsignale werden somit in einem Regelkreis gewichtet und im Regler 70 derart verarbeitet, dass am Ausgang des Reglers 70 ein geregelter Positionswert α zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert der Regler 70 einen ersten Gewichtungsfaktor der Form cos(α + 0°), einen zweiten Gewichtungsfaktor der Form cos(α + 120°) und einen dritten Gewichtungsfaktor cos(α + 240°). Der erste Gewichtungsfaktor wird dem Multiplizierer 40 1, der zweite Gewichtungsfaktor dem Multiplizierer 40 2 und der dritte Gewichtungsfaktor dem Multiplizierer 40 3 zugeführt. Die gewichteten Sensorsignale werden im Addierer 50 addiert, so dass das Ausgangssignal des Addierers 50 durch die Gleichung sin(φ + 0°)cos(α + 0°) + sin(φ + 120°)cos(α + 120°) + sin(φ + 240°)cos(α + 240°) = ε bestimmt wird. Das Ausgangssignal ε entspricht der Regelabweichung, wobei α dem geregelten Positionswert entspricht. Angemerkt sei, dass die dem Regler 70 übergebenen Werte digital oder analog vorliegen und verarbeitet werden können. Die Regelung, d. h. die Bestimmung von Gewichtungsfaktoren, wird iterativ so lange durchgeführt, bis die Regelabweichung ε minimiert, vorzugsweise Null wird. In diesem Fall ist der Abtastwinkel φ gleich dem geregelten Positionswert α, welcher vom Regler 70 zur weiteren Verarbeitung ausgegeben wird.
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Die in 1 gezeigte Schaltungseinrichtung 20 kann weiterhin ein Netzwerk 80 aufweisen, welches mit den Verstärkern 30 1 bis 30 3 verbunden ist. Je nach Implementierung des Netzwerkes 80 können die Sensorsignale der Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 in einer vorbestimmten Art und Weise aufbereitet werden. So können mit einem geeigneten Netzwerk Offset- und/oder Phasenfehler der Sensorsignale, Temperatureinflüsse und dergleichen korrigiert oder kompensiert werden. Im vorliegenden Beispiel enthält das Netzwerk 80 drei Quadrierelemente, die jeweils mit einem der Verstärker verbunden sind. Die Quadrierelemente sind mit einem Addierer verbunden. Ferner kann an das Netzwerk 80 eine einstellbare Referenzspannung (nicht dargestellt) angelegt werden. Das Netzwerk 80 ist dann in der Lage, ausgangsseitig einen Korrekturfaktor für den Verstärkungsfaktor der Verstärker 30 1 bis 30 3 bereitzustellen, derart, dass die Summe der Quadrate der Sensorsignale konstant auf dem Referenzwert als Sollwert gehalten wird. Dadurch kann die Amplitude der verstärkten Sensorsignale unabhängig von der erzeugten Hallspannung und anderer Einflüsse und Störgrößen in einem zum Beispiel gegenüber Rauschpegeln ausreichend hohen und stabilen Arbeitsbereich gehalten werden, um eine fehlerfreie Verarbeitung der Sensorsignale zu gewährleisten.
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Um mit der Positionsmessvorrichtung 10 lineare Bewegungen erfassen zu können, kann beispielsweise die in 2 gezeigte stabförmige Maßverkörperung 120 verwendet werden. Im gezeigten Beispiel weist die stabförmige Maßverkörperung 120 zwei in Reihe liegende Nord-Südpolpaare 110, 115 und 120, 125 auf. Die in 1 gezeigten Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 sind dann, wie 2 zeigt, in einer Reihe unterhalb der stabförmigen Maßverkörperung 120 angeordnet. Im betrachteten Zeitpunkt tastet der Hall-Sensor 30 1 ein Magnetfeld unterhalb der Grenzlinie des Nord-Südpolpaares 110 und 115 ab, während der Hall-Sensor 30 2 das Magnetfeld unterhalb des Südpols 115 und der Hall-Sensor 90 3 ein Magnetfeld unterhalb des Nordpols 120 des anderen Nord-Südpolpaares 120, 125 abtasten. Bei einer linearen Bewegung der Maßverkörperung 100 erzeugen die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 drei sinusförmige Sensorsignale, die zueinander jeweils eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen.
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Mit der in 1 gezeigten Positionsmessvorrichtung können auch Rotationsbewegungen erfasst werden. In diesem Fall kann als Maßverkörperung eine scheibenförmige Maßverkörperung 130 verwendet werden, die im einfachsten Fall aus einem einzigen Nord-Südpolpaar besteht.
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Wie 3 zeigt, sind die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 auf einer Kreisbahn unterhalb der scheibenförmigen Maßverkörperung 130 und konzentrisch zur Drehachse der scheibenförmigen Maßverkörperung 130 angeordnet, und zwar jeweils um 120° zueinander versetzt. Zudem sind die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 angeordnet. Die Maßverkörperung 130 weist eine Magnetisierung auf, die senkrecht zur Drehachse verläuft. Auch bei dieser Anordnung erzeugen die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 drei sinusförmige Sensorsignale, die wiederum zueinander eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen.
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Eine aus mehreren Nord-Südpolpaaren 150, 155 aufgebaute, scheibenförmige Maßverkörperung 140 ist in 4 gezeigt. Die Maßverkörperung 140 weist eine sektorförmige Magnetisierung auf, die senkrecht zur Drehachse verläuft. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 gleichmäßig bezüglich der Länge eines Nord-Südpolpaares, zum Beispiel das gezeigte Nord-Südpolpaar 150, 155 verteilt werden.
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Wie 4 zeigt, befindet sich zum betrachteten Zeitpunkt der Hall-Sensoren 90 2 an der Grenzlinie zwischen dem Nordpol 150 und dem Südpol 155 angeordnet, während der Hall-Sensor 90 1 sich unterhalb des Nordpols 150 und der Hall-Sensor 90 3 sich unterhalb des Südpols 155 befindet. Wird die scheibenförmige Maßverkörperung 140 in Drehbewegung versetzt, erzeugen die drei Hall-Sensoren 90 1 bis 90 3 wiederum drei sinusförmige Sensorsignale, die jeweils zueinander um eine Phasenverschiebung von 120° versetzt sind.
