DE102012203153A1 - Device for contactless acquisition of relative moving element of drive motor for electronic steering system, has field sources stationary attached to sense elements, for detecting and evaluating evaluation electronics and radial component - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur redundanten, absoluten Positionsbestimmung eines drehbaren Körpers. Die Erfindung betrifft im Besonderen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur absoluten, redundanten Positionsbestimmung für Off-Axis Anwendungen mittels magnetosensitiver Sensoren. The invention relates to a device and a method for redundant, absolute position determination of a rotatable body. In particular, the invention relates to an apparatus and a method for absolute, redundant position determination for off-axis applications by means of magneto-sensitive sensors.
Bei diesen Winkelsensoren ist ein Aufbau essentiell, in welcher die Drehachse des rotierenden Magneten zentrisch über dem Mittelpunkt der auf dem Schaltkreis kreisförmig angeordneten integrierten Hallsensorgruppe zu liegen kommt. Ein seitlicher Versatz der Sensorelemente relativ zur Drehachse führt zu einer Zunahme des Winkelfehlers, insbesondere wenn sich die Hallsensoren außerhalb des zwischen den Polen der Magnetfeldquelle annähernd linear verlaufenden vertikalen Magnetfelds Bz befinden. In these angle sensors, a construction is essential in which the axis of rotation of the rotating magnet comes to lie centrally above the center of the integrated Hall sensor group arranged in a circle on the circuit. A lateral offset of the sensor elements relative to the axis of rotation leads to an increase of the angular error, in particular if the Hall sensors are located outside of the between the poles of the magnetic field source approximately linearly extending vertical magnetic field Bz.
Eine Positionierung der Schaltkreise nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse ist somit aus diesem Grund nicht sinnvoll. Um eine Zentrierung beider Winkelsensoren relativ zur Drehachse der Magnetfeldquelle zu erreichen, müssen diese daher im gemeinsamen Gehäuse übereinander eingebaut werden. A positioning of the circuits next to each other in a common housing is therefore not useful for this reason. In order to achieve a centering of both angle sensors relative to the axis of rotation of the magnetic field source, they must therefore be installed one above the other in the common housing.
Nachteilig an diesem Aufbau ist der höhere Aufwand durch die übereinander liegende Montage der Schaltkreise mit einer dazwischen liegenden zusätzlichen Isolationslage. A disadvantage of this structure is the higher cost of the superimposed mounting of the circuits with an intermediate additional insulation layer.
Ein weiterer Nachteil ist, dass der Toleranzbereich für den vertikalen Abstand zwischen Magnet und Sensorgehäuse durch den übereinander liegenden Aufbau stark eingeschränkt ist, da sowohl der unten liegende als auch der oben liegende Winkelsensor innerhalb eines Toleranzfensters für den optimalen Arbeitsbereich der Stärke des magnetischen Feldes liegen müssen. A further disadvantage is that the tolerance range for the vertical distance between magnet and sensor housing is severely limited by the superimposed structure, since both the bottom and the top angle sensor must be within a tolerance window for the optimum working range of the strength of the magnetic field ,
Des Weiteren ist dieser Aufbau nur für axialen Aufbau geeignet, wo sich der Winkelsensor-Schaltkreis unterhalb der Magnetfeldquelle, normal und zentrisch zur Drehachse befindet. Furthermore, this structure is only suitable for axial construction, where the angle sensor circuit is below the magnetic field source, normal and centric to the axis of rotation.
In sicherheitskritischen Anwendungen wie z.B. einem Antriebsmotor für ein elektronisches Lenksystem EPS können z.B. bei Lastwechseln Kräfte auf die zu messende Antriebswelle wirken, welche diese in axialer Richtung verschieben. Diese Verschiebung wirkt sich durch den axialen Aufbau in einer Abstandsänderung zwischen der Magnetfeldquelle, welche am Ende der Antriebswelle angebracht ist und dem Sensor aus. Um eine mögliche Beschädigung von Sensor oder Magnet durch mechanischen Kontakt beider Objekte zu vermeiden, muss ein Mindestabstand zwischen Magnetfeldquelle und Sensorgehäuse eingehalten werden, was wiederum den Toleranzbereich für den Abstand zwischen Sensor und Magnetfeldquelle weiter einschränkt. In safety-critical applications, such as a drive motor for an electronic steering system EPS can e.g. When load changes forces act on the drive shaft to be measured, which move them in the axial direction. This displacement is affected by the axial structure in a change in distance between the magnetic field source, which is attached to the end of the drive shaft and the sensor. In order to avoid possible damage to the sensor or magnet due to mechanical contact between the two objects, a minimum distance between the magnetic field source and the sensor housing must be maintained, which in turn further limits the tolerance range for the distance between the sensor and the magnetic field source.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein redundantes Sensorsystem für so genannte Off-Axis-Anwendungen, d.h. Anwendungen bei denen sich magnetosensitive Sensoren außerhalb der Symmetrieachse eines beweglichen Körpers befinden, bereitzustellen, welches in der Lage ist, mittels zwei getrennten Sensorsystemen eine redundante Positionserkennung eines drehbar gelagerten Körpers zu ermöglichen. Unter magnetosensitiven Sensoren sind insbesondere Hallsensoren zu verstehen. The invention has for its object to provide a redundant sensor system for so-called off-axis applications, i. Applications in which magneto-sensitive sensors are located outside the axis of symmetry of a movable body, which is able to provide a redundant position detection of a rotatably mounted body by means of two separate sensor systems. Magneto-sensitive sensors are to be understood in particular as Hall sensors.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 und 3 betreffen besondere Ausführungsformen. This object is achieved with a device according to the independent claim. The
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines relativ beweglichen Elements, welches eine auf dem beweglichen Element befestigte Magnetfeldquelle aufweist, wobei zwei in einer Ebene liegende, in Richtung der Bewegung räumlich versetzte magnetosensitive Sensoren von der Magnetfeldquelle beabstandet angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass das relativ bewegliche Element drehbar gelagert ist. Zudem ist vorgesehen ist vorgesehen, dass die Ebene parallel zur Drehachse angeordnet ist und dass in einem gemeinsamen Gehäuse, welches seitlich der Magnetfeldquelle parallel zur Drehachse stationär angebracht ist, zwei Sensorelemente untergebracht sind, welche jeweils zwei in einer Ebene liegende, in Richtung der Drehbewegung räumlich versetzte magnetosensitive Sensoren mit der dazugehörigen Auswerteelektronik beinhalten und die radiale Komponente des Magnetfeldes erfassen und auswerten. Das redundante Sensorsystem umfasst zwei Sensorelemente. The invention relates to a device for non-contact detection of a relatively movable element which has a fixed magnetic field source on the movable element, wherein two lying in a plane, spatially offset in the direction of movement magneto-sensitive sensors are spaced from the magnetic field source. It is envisaged that the relatively movable element is rotatably mounted. In addition, it is provided that the plane is arranged parallel to the axis of rotation and that two sensor elements are housed in a common housing, which is mounted laterally of the magnetic field source stationary parallel to the axis of rotation, which two each lying in a plane, spatially in the direction of rotational movement offset magneto-sensitive sensors with the associated evaluation include and detect the radial component of the magnetic field and evaluate. The redundant sensor system comprises two sensor elements.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die absolute Drehstellung über einen Winkelbereich von 360° erfasst wird, wobei die Magnetfeldquelle als 2-polig diametral magnetisierter Scheibenmagnet oder Ringmagnet ausgebildet ist. In one embodiment, it is provided that the absolute rotational position is detected over an angular range of 360 °, wherein the magnetic field source is formed as a 2-pole diametrically magnetized disc magnet or ring magnet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die absoluten Drehstellung über einen Winkelbereich von < 360° erfasst wird, wobei die Magnetfeldquelle als mehrpolig magnetisierter Scheibenmagnet (
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren mit einer oben beschriebenen Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines relativ zu zwei magnetosensitiven Sensoren beweglichen Elements, deren magnetische Eigenschaften mittels der magnetosensitiven Sensoren dadurch ermittelt werden, dass ein erstes Sensorsignal mit einem ersten magnetosensiviten Sensor und ein zweites Sensorsignal mit einem zweiten magnetosensitiven Sensor gemessen wird, wobei das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal eine Komponente des Magnetfeldes repräsentiert und die Sensorsignale einen Phasenversatz φ im Bereich von 0° < φ < 180° oder 180° < φ < 360° aufweisen, wobei vorgesehen ist,
- – dass Amplitudenverhältnisse durch Division eines vorgebbaren Signalhubs durch eine Differenz eines Maximumwertes und eines Minimumwertes der jeweiligen Sensorsignale bestimmt werden,
- – dass Offsetwerte um den jeweiligen Nullpunkt der Sensorsignale aus den Minimum- und Maximumwerten der Sensorsignale bestimmt werden,
- – dass mittels Subtraktion der Offsetwerte von den Sensorsignalen und durch Normierung mit den Amplitudenverhältnissen normierte Sensorsignale berechnet werden, wobei die Bestimmung der Minimum- und Maximumwerte durch eine relative Bewegung des Elements und der daran befestigten Magnetfeldquelle über einen vollen Bewegungsweg bei gleichzeitiger Erfassung der Sensorsignale beider Sensoren erfolgt,
- – dass von den normierten Sensorsignalen ein Summensignal und ein Differenzsignal gebildet werden,
- – dass das Summensignal und das Differenzsignal wiederum nach Bestimmung des Amplitudenverhältnisses normiert werden, wobei die Bestimmung der Minimum- und Maximumwerte durch relative Bewegung des Elements und der daran befestigten Magnetfeldquelle über einen vollen Bewegungsweg bei gleichzeitiger Messung des Summensignals sowie des Differenzsignals und Auswertung der Minimum- und Maximumwerte des Summensignals und des Differenzsignals erfolgt und
- – dass mittels des normierten Summensignals und des normierten Differenzsignals eine absolute Drehstellung der Magnetfeldquelle berechnet wird.
- - that amplitude ratios are determined by dividing a predeterminable signal deviation by a difference between a maximum value and a minimum value of the respective sensor signals,
- - That offset values are determined by the respective zero point of the sensor signals from the minimum and maximum values of the sensor signals,
- In that the determination of the minimum and maximum values is effected by a relative movement of the element and the magnetic field source attached thereto over a full movement path with simultaneous detection of the sensor signals of both sensors he follows,
- That a sum signal and a difference signal are formed by the normalized sensor signals,
- In that the summation signal and the difference signal are in turn normalized after determination of the amplitude ratio, wherein the determination of the minimum and maximum values by relative movement of the element and the attached magnetic field source over a full path of movement with simultaneous measurement of the sum signal and the difference signal and evaluation of the minimum and maximum values of the sum signal and the difference signal occur and
- - That by means of the normalized sum signal and the normalized difference signal, an absolute rotational position of the magnetic field source is calculated.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Komponente des Magnetfeldes die radiale oder die axiale Komponente ist. In one embodiment of the method, it is provided that the component of the magnetic field is the radial or the axial component.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die absolute Drehstellung der Magnetfeldquelle durch Bildung des Arcustangens des Verhältnisses von dem normierten Summensignal und dem normierten Differenzsignal berechnet wird. In one embodiment of the method, it is provided that the absolute rotational position of the magnetic field source is calculated by forming the arctangent of the ratio of the normalized sum signal and the normalized difference signal.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die absolute Drehstellung der Magnetfeldquelle mittels eines Algorithmus der Koordinatentransformation, vorzugsweise mit einem CORDIC Algorithmus berechnet wird. In one embodiment of the method, it is provided that the absolute rotational position of the magnetic field source is calculated by means of an algorithm of the coordinate transformation, preferably with a CORDIC algorithm.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen und dazugehöriger Figuren weiter erläutert. Es zeigen: The invention will now be further explained with reference to embodiments and associated figures. Show it:
In
Die für die Messung der Magnetfelder empfindlichen Achsen der integrierten Hallsensoren sind in Form von Pfeilen dargestellt. The sensitive to the measurement of magnetic fields axes of the integrated Hall sensors are shown in the form of arrows.
Eine absolute Veränderung der Magnetfeldstärke hat, wie sie z.B. bei Änderung der Temperatur des Magneten auftritt, keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Messprinzips, da die Auswertung der gemessenen Signale ratiometrisch erfolgt und sich somit Änderungen in der Signalamplitude, sofern sie auf alle Hallsensoren gleichermaßen einwirken, kompensieren. An absolute change in the magnetic field strength, as e.g. When the temperature of the magnet changes, there is no influence on the accuracy of the measuring principle, since the evaluation of the measured signals takes place ratiometrically and thus compensates for changes in the signal amplitude, provided that they act on all Hall sensors equally.
Im Fall von
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt insbesondere in einer großen Toleranz gegenüber axialen Verschiebungen der drehbar gelagerten Teile
Des Weiteren ist diese Ausführungsform auch für Ringmagnete und Hohlwellen geeignet, da das Magnetfeld der Magnetfeldquelle an dessen Umfang gemessen wird. Furthermore, this embodiment is also suitable for ring magnets and hollow shafts, since the magnetic field of the magnetic field source is measured at its periphery.
Im Folgenden wird das zugehörige Verfahren erläutert. The following explains the associated method.
In
Im Ausführungsbeispiel wie
In einem ersten Schritt wird die Offsetspannung der Sensorsignale
Um die erforderlichen Trimmwerte für Offset1, Offset2, Gain1 und Gain2 zu errechnen ist es ausreichend, die Minimum- sowie Maximumwerte der Sensorsignale
Aus den Minimum- und Maximumwerten können dann die für die Trimmung notwendigen Werte folgendermaßen errechnet werden: für
- H1max,min
- = Maximum- bzw.
Minimumwert von Sensorsignal1 101 - H2max,min
- = Maximum- bzw.
Minimumwert von Sensorsignal2 102
- H1 max, min
- = Maximum or minimum value of
sensor signal1 101 - H2 max, min
- = Maximum or minimum value of
sensor signal2 102
Von diesen normierten Signalen wird im nächsten Schritt die Summe
Das Verhältnis des Signalhubs von Summensignal zu Differenzsignal hängt von der Phasenlage φ der Eingangssignale
In
Der mathematische Zusammenhang der Scheitelwerte von Summensignal durch Differenzsignalzu Phasenlage errechnet sich aus: The mathematical relationship of the peak values of sum signal by difference signal to phase position is calculated from:
In einem weiteren Schritt werden das Summensignal
Um die erforderlichen Trimmwerte für Gain3 und Gain4 zu errechnen ist es ausreichend, die Minimum- sowie Maximumwerte des Summen- und Differenzsignals zu ermitteln. Dies kann durch einfache Drehung der Magnetfeldquelle
Aus den Minimum- und Maximumwerten können dann die für die Trimmung notwendigen Werte folgendermaßen errechnet werden: From the minimum and maximum values, the values necessary for trimming can then be calculated as follows:
Geht man davon aus, dass die normierten Sensorsignale
Die normierten Signale des Summensignals
In weiterer Folge werden das normierte Summensignal
- H1
- =
Sensorsignal von Hallsensor1 101 - H2
- =
Sensorsignal von Hallsensor2 102 - Offset1
- =
Offsetsignal von Hallsensor1 103 - Offset2
- =
Offsetsignal von Hallsensor2 104 - Gain1
- = Verstärkung des
Sensorsignals H1 105 - Gain2
- = Verstärkung des
Sensorsignals H2 106 - Gain3
- = Verstärkung des
Summensignals 111 - Gain4
- = Verstärkung des
Differenzsignals 112
- H1
- = Sensor signal from Hall sensor1
101 - H2
- = Sensor signal from Hall sensor2
102 - Offset 1
- = Offset signal from Hall sensor1
103 - Offset 2
- = Offset signal from Hall sensor2
104 - Gain1
- = Amplification of the
sensor signal H1 105 - Gain2
- = Amplification of the
sensor signal H2 106 - GAIN3
- = Amplification of the
sum signal 111 - Gain4
- = Amplification of the
difference signal 112
Ausgehend von den Eingangssignalen Vsin
Der Betragswert B
Weiterhin wird in einer zweiten Ordinatenachse die aus Vsin und Vcos errechnete absolute Drehstellung
In vielen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die errechnete Drehstellung mit einer definierten mechanischen Position des drehbaren Elements
Weiterhin kann die erzielte Genauigkeit der angezeigten Drehstellung optional durch eine Linearisierungsschaltung
In weiterer Folge kann die errechnete und linearisierte Drehstellung W_L durch Konvertierung in eine analoge Signalform
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann, wie in
Die Erfindung wurde anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert, wobei diese Darstellung die Erfindung nicht einschränken soll. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen der verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind. The invention has been explained in more detail with reference to examples and figures, this presentation is not intended to limit the invention. It is understood that those skilled in the art can make changes and modifications without departing from the scope of the following claims. In particular, the invention includes embodiments with any combination of features of the various embodiments described herein.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erster magnetosensitiver Sensor first magneto-sensitive sensor
- 1a1a
- erster magnetosensitiver Sensor des ersten Sensorelements first magneto-sensitive sensor of the first sensor element
- 1b1b
- erster magnetosensitiver Sensor des zweiten Sensorelements first magneto-sensitive sensor of the second sensor element
- 22
- zweiter magnetosensitiver Sensor second magneto-sensitive sensor
- 2a2a
- zweiter magnetosensitiver Sensor des ersten Sensorelements second magneto-sensitive sensor of the first sensor element
- 2b2 B
- zweiter magnetosensitiver Sensor des zweiten Sensorelements second magneto-sensitive sensor of the second sensor element
- 3 3
- Sensorelement umfassend zwei magnetosensitive Sensoren Sensor element comprising two magneto-sensitive sensors
- 3a3a
- erstes Sensorelement first sensor element
- 3b3b
- zweites Sensorelement second sensor element
- 22
- zweiter magnetonsensitiver Sensor second magneton-sensitive sensor
- 44
- gemeinsames Gehäuse common housing
- 55
- gemeinsames Substrat common substrate
- 66
- drehbares Element rotatable element
- 77
- 2-polig diametral magnetisierter Scheibenmagnet 2-pole diametrically magnetized disc magnet
- 88th
- mehrpolig magnetisierter Scheibenmagnet multi-pole magnetised disc magnet
- 99
- 2-polig diametral magnetisierter Ringmagnet 2-pole diametrically magnetized ring magnet
- 1010
- mehrpolig magnetisierter Ringmagnet multi-pole magnetized ring magnet
- 1414
- Drehachse axis of rotation
- 1515
- Magnetfeldquelle magnetic field source
- 101101
- erstes Sensorsignal first sensor signal
- 102102
- zweites Sensorsignal second sensor signal
- 103103
- erster Offset first offset
- 104104
- zweiter Offset second offset
- 105105
- erste Verstärkung first reinforcement
- 106106
- zweite Verstärkung second reinforcement
- 107107
- erstes normiertes Sensorsignal first normalized sensor signal
- 108108
- zweites normiertes Sensorsignal second normalized sensor signal
- 109109
- Summensignal sum signal
- 110110
- Differenzsignal difference signal
- 113113
- normiertes Summensignal normalized sum signal
- 114114
- normiertes Differenzsignal normalized difference signal
- 202202
- absolute Drehstellung absolute rotational position
- 203203
- Betragswert B der Koordinatentransformation Absolute value B of the coordinate transformation
- 207207
- analoge Signalform analog signal form
- 208208
- digitale Signalform digital waveform
- 100100
- analoger Signalverarbeitungsblock analog signal processing block
- 200200
- digitaler Signalverarbeitungsblock digital signal processing block
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2007071383 [0002] WO 2007071383 [0002]
Claims (7)
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JP2014559229A JP5913640B2 (en) | 2012-02-29 | 2013-02-28 | Apparatus and method for redundantly measuring the absolute position of a moving object |
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US14/381,992 US10132649B2 (en) | 2012-02-29 | 2013-02-28 | Apparatus and method for the redundant, absolute position determination of a movable body |
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Citations (1)
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2012
- 2012-02-29 DE DE201210203153 patent/DE102012203153A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
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Legal Events
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