DE102012111653A1

DE102012111653A1 - Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke

Info

Publication number: DE102012111653A1
Application number: DE201210111653
Authority: DE
Inventors: Andreas Rebelein; Joachim Donhauser; Michael Nagel; Andreas Schulze
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke mit einem Gebermagnet (2) zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte (B) und einem magnetischen Winkelsensor (3) zur Erfassung einer Flussdichterichtung (D) der magnetischen Flussdichte (B) am Ort des magnetischen Winkelsensors (3). Der Gebermagnet (2) weist eine Magnetisierung auf, deren Magnetisierungsrichtung (M) sich entlang einer Variationsachse (A) des Gebermagnets (2) ändert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke mittels einer derartigen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke mittels eines Gebermagnets zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte und eines magnetischen Winkelsensors zur Erfassung einer Richtung der magnetischen Flussdichte.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Positionserfassung sind bereits bekannt. Dabei wird der Gebermagnet entlang der Verfahrstrecke bewegt, während der Winkelsensor ortsfest in der Nähe der Verfahrstrecke angeordnet wird. Der Gebermagnet erzeugt eine magnetische Flussdichte, deren Richtung am Ort des Winkelsensors von der Position des Gebermagnets abhängt. Die Erfassung dieser Richtung durch den Winkelsensor ermöglicht daher die kontaktlose Bestimmung der Position des Gebermagnets auf der Verfahrstrecke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer verbesserten Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke mittels eines Gebermagnets und eines magnetischen Winkelsensors anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke umfasst einen Gebermagnet zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte und einen magnetischen Winkelsensor zur Erfassung einer Flussdichterichtung der magnetischen Flussdichte am Ort des magnetischen Winkelsensors. Dabei weist der Gebermagnet eine Magnetisierung auf, deren Magnetisierungsrichtung sich entlang einer Variationsachse des Gebermagnets ändert. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Gebermagnets aus der von dem magnetischen Winkelsensor erfassten Flussdichterichtung anhand einer Kennlinie für die Flussdichterichtung am Sensorort in Abhängigkeit von der Position des Gebermagnets auf der Verfahrstrecke auf.
Unter einer Variationsachse des Gebermagnets wird dabei eine gedachte Gerade durch den Gebermagnet verstanden, entlang derer sich in dem Gebermagnet die Richtung der Magnetisierung des Gebermagnets ändert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst somit einen Gebermagnet mit einer Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung entlang einer als Variationsachse bezeichneten Gerade variiert. Eine derartige Magnetisierung ermöglicht die Erzeugung einer magnetischen Flussdichte, deren Flussdichterichtung räumlich stark variiert, insbesondere stärker als die Richtung einer magnetischen Flussdichte, die von einem Gebermagnet mit einer räumlich konstanten Magnetisierungsrichtung erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Verwendung eines derartigen räumlich variierend magnetisierten Gebermagnets zur Positionserfassung in Verbindung mit einem magnetischen Winkelsensor ermöglicht daher die Erzeugung einer magnetischen Flussdichte, deren Flussdichterichtung sich am Ort des magnetischen Winkelsensors bei Positionsänderungen des Gebermagnets besonders stark ändert. Dadurch wird vorteilhaft die Auflösung und Messgenauigkeit der Positionserfassung verbessert, da bereits geringe Positionsänderungen des Gebermagnets relativ große und daher gut auflösbare Änderungen der Flussdichterichtung am Ort des Winkelsensors bewirken.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ändert sich dabei ein Magnetisierungswinkel zwischen der Magnetisierungsrichtung und der Richtung der Variationsachse des Gebermagnets entlang der Variationsachse in einer die Variationsachse enthaltenden Variationsebene.
Dadurch wird eine Ebene definiert, in der sich der magnetische Winkelsensor besonders vorteilhaft platzieren lässt, da die Flussdichterichtung in dieser Ebene besonders stark variiert und sich die Variation durch den Magnetisierungswinkel in der Ebene mittels bekannter Winkelsensoren einfach erfassen lässt.
Eine erste Ausgestaltung dieser Ausführung sieht vor, dass sich der Magnetisierungswinkel entlang der Variationsachse stetig ändert.
Eine alternative zweite Ausgestaltung der Ausführung sieht vor, dass der Gebermagnet zwei entlang der Variationsachse nebeneinander angeordnete Magnetabschnitte aufweist, in denen die Magnetisierungsrichtung jeweils räumlich konstant und voneinander verschieden ist. Vorzugsweise sind die Magnetisierungsrichtungen in den beiden Magnetabschnitten dabei einander entgegengesetzt. Besonders bevorzugt ist die Magnetisierungsrichtung ferner in wenigstens einem Magnetabschnitt orthogonal zu der Richtung der Variationsachse.
Alle diese Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen vorteilhaft eine kontrollierte und stark variierende Änderung des Magnetisierungswinkels.
Vorzugsweise ist der magnetische Winkelsensor ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor.
Dadurch werden vorteilhaft bekannte und kostengünstige Sensoren als magnetische Winkelsensoren eingesetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet. Dabei wird der Gebermagnet beweglich auf der Verfahrstrecke angeordnet und die zu erfassende Position wird durch die Position des Gebermagnets definiert. Der magnetische Winkelsensor wird fest an einem Sensorort in einem Sensorabstand zu der Verfahrstrecke angeordnet und mittels des magnetischen Winkelsensors wird eine Flussdichterichtung der von dem Gebermagnet erzeugten magnetischen Flussdichte am Sensorort erfasst. Am Sensorort wird eine Kennlinie für die Flussdichterichtung in Abhängigkeit von der Position des Gebermagnets auf der Verfahrstrecke ermittelt und die Position des Gebermagnets wird aus der von dem magnetischen Winkelsensor erfassten Flussdichterichtung anhand der Kennlinie bestimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke genutzt, um vorteilhaft die Messgenauigkeit und Auflösung der Positionsbestimmung mittels eines Gebermagnets, dessen Magnetisierung entlang einer Variationsachse variiert, zu verbessern.
Dabei wird der Gebermagnet vorzugsweise derart auf der Verfahrstrecke angeordnet, dass die Variationsachse parallel zu der Verfahrstrecke ausgerichtet ist.
Eine derartige Anordnung ermöglicht vorteilhaft am Sensorort eine besonders große Änderung der Flussdichterichtung pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets und damit eine besonders große Messgenauigkeit und Auflösung der Positionsbestimmung der Position des Gebermagnets.
Vorzugsweise wird für den Betrag der Flussdichte an dem Sensorort ein Betragsmindestwert vorgegeben und Sensorort und Sensorabstand werden derart gewählt, dass der Betrag der Flussdichte an dem Sensorort für jede Position des Gebermagnets auf der Verfahrstrecke den Betragsmindestwert annimmt oder übertrifft.
Alternativ oder zusätzlich wird für die Änderung der Flussdichterichtung pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets ein Änderungsmindestwert vorgegeben und Sensorort und Sensorabstand werden derart gewählt, dass die Änderung der Flussdichterichtung pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets an dem Sensorort für jede Position des Gebermagnets auf der Verfahrstrecke den Änderungsmindestwert annimmt oder übertrifft.
Diese Ausgestaltungen des Verfahrens ermöglichen vorteilhaft, die Messempfindlichkeit des magnetischen Winkelsensors bei der Positionierung des Winkelsensors für den Betrag und/oder die Änderung der Flussdichterichtung pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets zu berücksichtigen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Vorrichtung und/oder das genannte Verfahren insbesondere zur Positionserfassung in einem Getriebe eines Kaftfahrzeugs verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke,
2 schematisch eine Kennlinie für eine Flussdichterichtung einer magnetischen Flussdichte an einem Sensorort in Abhängigkeit von der Position eines die Flussdichte erzeugenden Gebermagnets auf einer Verfahrstrecke, und
3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Gebermagnet 2 und einen magnetischen Winkelsensor 3. Der Gebermagnet 2 erzeugt in seiner Umgebung eine magnetische Flussdichte B, die durch Feldlinien F dargestellt ist. Der magnetische Winkelsensor 3 ist zur Erfassung einer Flussdichterichtung D dieser magnetischen Flussdichte B am Ort des magnetischen Winkelsensors 3 ausgebildet und beispielsweise ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor.
Der Gebermagnet 2 weist eine Magnetisierung auf, deren Magnetisierungsrichtung M sich entlang einer Variationsachse A des Gebermagnets 2 ändert. Dabei ändert sich ein Magnetisierungswinkel β zwischen der Magnetisierungsrichtung M und der Richtung der Variationsachse A im Innern des Gebermagnets 2 stetig entlang der Variationsachse A, so dass in einem Koordinatensystem kartesischer Koordinaten X, Y, Z, dessen X-Achse durch die Variationsachse A definiert ist und das auch im Weiteren zur Beschreibung verwendet wird, die Z-Komponente der Magnetisierung entlang der X-Richtung innerhalb des Gebermagnets 2 stetig und monoton von einem positiven Anfangswert zu einem negativen Endwert abnimmt.
Diese Magnetisierung des Gebermagnets 2 bewirkt, dass der Betrag der magnetischen Flussdichte B in der XZ-Ebene (Variationsebene) auf einer durch Z < 0 definierten ersten Seite des Gebermagnets 2 größer als auf der durch Z > 0 definierten anderen Seite ist und dass die Flussdichterichtung D auf der ersten Seite des Gebermagnets 2 parallel zu der Variationsachse A räumlich stark variiert. Gegenüber einem räumlich konstant magnetisierten Gebermagnet 2 wird dadurch sensorseitig eine Vergrößerung sowohl des Betrages als auch der räumlichen Variation der magnetischen Flussdichte B erreicht und damit vorteilhaft die Messgenauigkeit erhöht.
Die Flussdichterichtung D wird mittels des magnetischen Winkelsensors 3 durch einen Messwinkel α zwischen der Flussdichterichtung D und einer festen Richtung in der XZ-Ebene, beispielsweise der X-Richtung, erfasst. In 1 ist der magnetische Winkelsensor 3 beispielhaft an drei verschiedenen Orten P1, P2, P3 in der XZ-Ebene dargestellt, die auf einer Parallelen zur Variationsachse A liegen. Die Flussdichterichtung D an diesen Orten P1, P2, P3 ist jeweils durch einen Pfeil dargestellt.
Zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke wird der Gebermagnet 2 beweglich auf der Verfahrstrecke angeordnet, wobei die Variationsachse A parallel zu der Verfahrstrecke ausgerichtet wird. Der magnetische Winkelsensor 3 wird fest an einem Sensorort in der XZ-Ebene in einem Sensorabstand zu der Verfahrstrecke angeordnet. Mittels des magnetischen Winkelsensors 3 wird der Messwinkel α und damit die Flussdichterichtung D der von dem Gebermagnet 2 erzeugten magnetischen Flussdichte B am Sensorort erfasst. Die Position des Gebermagnets 2 wird aus dem erfassten Messwinkel α anhand einer vorher ermittelten Kennlinie L für den Messwinkel α in Abhängigkeit von der Position des Gebermagnets 2 auf der Verfahrstrecke ermittelt.
2 zeigt schematisch eine derartige Kennlinie L für die in 1 dargestellte Vorrichtung 1. Dabei wird die Position des Gebermagnets 2 auf der Verfahrstrecke durch einen Abstand s zu einem Bezugspunkt auf der Verfahrstrecke angegeben. Die Kennlinie L beschreibt den Messwinkel α in Abhängigkeit von diesem Abstand s. Die Abstände s1, s2, s3 entsprechen jeweils den in 1 dargestellten Orten P1, P2, P3 des magnetischen Winkelsensors 3 im Magnetfeld des Gebermagnets 2.
Sensorort und Sensorabstand zur Verfahrstrecke werden so gewählt, dass der Betrag der Flussdichte B und der Betrag der ersten Ableitung dα/ds des Messwinkels α nach dem Abstand s an dem Sensorort für jede Position des Gebermagnets 2 auf der Verfahrstrecke jeweils vorgegebene Mindestwerte annehmen oder übertreffen.
3 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Ausbildung des Gebermagnets 2. Der Gebermagnet 2 dieses Ausführungsbeispiels weist zwei entlang einer Variationsachse A nebeneinander angeordnete Magnetabschnitte 2.1, 2.2 auf, in denen die Magnetisierungsrichtungen M jeweils räumlich konstant, aber einander entgegengesetzt und orthogonal zu der Variationsachse A sind.
Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine maximale Änderung des Messwinkels α um mehr als 360 Grad, die jedoch die Eindeutigkeit der Bestimmung der Position des Gebermagnets 2 aus dem Messwinkel α gefährdet. Daher wird das Verfahren zur Positionsbestimmung in diesem Ausführungsbeispiel erforderlichenfalls erweitert, um eine Mehrdeutigkeit der Positionsbestimmung aufzulösen. Beispielsweise wird das Verfahren erweitert um eine Bestimmung eines Abschnitts der Verfahrstrecke, in dem sich der Gebermagnet 2 bei einer Erfassung eines Messwinkels α befindet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gebermagnet
2.1, 2.2: Magnetabschnitt
3: magnetischer Winkelsensor
A: Variationsachse
B: magnetische Flussdichte
D: Flussdichterichtung
F: Feldlinie
L: Kennlinie
M: Magnetisierungsrichtung
P1, P2, P3, P4, P5: Ort
s, s1, s2, s3: Abstand
α: Messwinkel
β: Magnetisierungswinkel

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke, umfassend – einen Gebermagnet (2) zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte (B), – einen magnetischen Winkelsensor (3) zur Erfassung einer Flussdichterichtung (D) der magnetischen Flussdichte (B) am Ort des magnetischen Winkelsensors (3) und – eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position des Gebermagnets (2) aus der von dem magnetischen Winkelsensor (3) erfassten Flussdichterichtung (D) anhand einer Kennlinie (L) für die Flussdichterichtung (D) am Sensorort in Abhängigkeit von der Position des Gebermagnets (2) auf der Verfahrstrecke, – wobei der Gebermagnet (2) eine Magnetisierung aufweist, deren Magnetisierungsrichtung (M) sich entlang einer Variationsachse (A) des Gebermagnets (2) ändert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Magnetisierungswinkel (β) zwischen der Magnetisierungsrichtung (M) und der Richtung der Variationsachse (A) des Gebermagnets (2) entlang der Variationsachse (A) in einer die Variationsachse (A) enthaltenden Variationsebene ändert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Magnetisierungswinkel (β) entlang der Variationsachse (A) stetig ändert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (2) zwei entlang der Variationsachse (A) nebeneinander angeordnete Magnetabschnitte (2.1, 2.2) aufweist, in denen die Magnetisierungsrichtung (M) jeweils räumlich konstant und voneinander verschieden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtungen (M) in den beiden Magnetabschnitten (2.1, 2.2) einander entgegengesetzt sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung (M) in wenigstens einem Magnetabschnitt (2.1, 2.2) orthogonal zu der Richtung der Variationsachse (A) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Winkelsensor (3) ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor ist.
Verfahren zur Erfassung einer Position auf einer Verfahrstrecke mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Gebermagnet (2) beweglich auf der Verfahrstrecke angeordnet wird, – die zu erfassende Position durch die Position des Gebermagnets (2) definiert wird, – der magnetische Winkelsensor (3) fest an einem Sensorort in einem Sensorabstand zu der Verfahrstrecke angeordnet wird, – mittels des magnetischen Winkelsensors (3) eine Flussdichterichtung (D) der von dem Gebermagnet (2) erzeugten magnetischen Flussdichte (B) am Sensorort erfasst wird, – eine Kennlinie (L) für die Flussdichterichtung (D) am Sensorort in Abhängigkeit von der Position des Gebermagnets (2) auf der Verfahrstrecke ermittelt wird und die Position des Gebermagnets (2) aus der von dem magnetischen Winkelsensor (3) erfassten Flussdichterichtung (D) anhand der Kennlinie (L) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (2) derart auf der Verfahrstrecke angeordnet wird, dass die Variationsachse (A) parallel zu der Verfahrstrecke ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrag der Flussdichte (B) an dem Sensorort ein Betragsmindestwert vorgegeben wird und Sensorort und Sensorabstand derart gewählt werden, dass der Betrag der Flussdichte (B) an dem Sensorort für jede Position des Gebermagnets (2) auf der Verfahrstrecke den Betragsmindestwert annimmt oder übertrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Änderung der Flussdichterichtung (D) pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets (2) ein Änderungsmindestwert vorgegeben wird und Sensorort und Sensorabstand derart gewählt werden, dass die Änderung der Flussdichterichtung (D) pro Positionsänderung der Position des Gebermagnets (2) an dem Sensorort für jede Position des Gebermagnets (2) auf der Verfahrstrecke den Änderungsmindestwert annimmt oder übertrifft.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zur Positionserfassung in einem Getriebe eines Kraftfahrzeugs.