DE102012216380A1

DE102012216380A1 - Anordnung, Verfahren und Computerprogramm zur Bestimmung einer Position eines Magneten, Stellantrieb und Hinterachslenkungsaktuator

Info

Publication number: DE102012216380A1
Application number: DE201210216380
Authority: DE
Inventors: Martin Hoffmann; Armin Schmidbauer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen eine Anordnung 100, ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Bestimmung einer Position eines Magneten 200 sowie einen Stellantrieb 1000 mit einer Anordnung 100 und einen Hinterachslenkungsaktuator mit einem Stellantrieb 1000. Die Anordnung 100 zur Bestimmung einer Position eines Magneten 200 auf einer Bahn 300 umfasst einen Hall-Sensor 110 und einen Hall-Schalter 120, wobei der Hall-Sensor 110 und der Hall-Schalter 120 hintereinander entlang der Bahn 300 angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik, insbesondere aber nicht ausschließlich auf dem Gebiet der Positionsbestimmung bei Stellantrieben.
Aus dem Bereich der konventionellen Technik sind vielerlei Anwendungen bekannt, bei denen Positionen von ein oder mehreren Komponenten bestimmt werden. Dabei sind optische Systeme bekannt, die mittels Lichtquellen und Fotosensoren die Position von sich dazwischen befindlichen Objekten bestimmen. Bei diesen Systemen ist nachteilig, dass die optischen Komponenten verschmutzen können und somit die Zuverlässigkeit der Messanordnung nicht mehr gegeben ist. Darüber hinaus gibt es Konzepte, die beispielsweise über eine Widerstandsmessung an einem Potenziometer eine Position eines Gleiters bestimmen können. Auch hier können Alterungseffekte auftreten, die zu einem veränderlichen Widerstand und damit zu ungenauen Messungen führen können. Ferner sind Messungen mit Magneten und Hallsensoren bekannt, wobei anhand der Signale eines Hallsensors auf das Magnetfeld und darüber auf die Position eines Magneten geschlossen werden kann. Dabei wird ein Hall-Sensor auf den zu messenden Positionsbereich ausgelegt, um das Magnetfeld des Magneten zu erfassen, was entsprechende Baugrößen der Sensorik zur Folge hat.
Systeme zur Positionsbestimmung werden beispielsweise bei Stellantrieben eingesetzt. Stellantriebe selbst haben ebenfalls ein weites Anwendungsgebiet, beispielsweise kommen sie bei Steuer- und Regelantrieben vor. Hierbei kann über einen elektrischen Antrieb eine Spindel angetrieben werden, die über ein Gewinde verfügt. Prinzipiell befindet sich eine Spindel-Mutter auf eine Spindel-Achse mit einem entsprechenden Gegengewinde. Wird die Spindel angetrieben, so bewegt sich die Mutter oder die Achse entsprechend. Stellantriebe kommen beispielsweise bei elektrischen Hubantrieben für Ventile vor, aber auch in der Kraftfahrzeugtechnik. Ein Beispiel hierfür sind Hinterachslenkaktuatoren bei denen Stellantriebe zur Lenkung von Hinterrädern eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Hierbei ist es insbesondere wichtig, dass der Stellantrieb zurück auf eine Ausgangsposition, z.B. eine Mitten- oder Nullposition, gesetzt werden kann, um nach einem Lenkvorgang eine Geradeausfahrt eines Fahrzeugs wieder zu gewährleisten.
Bei diesen Systemen werden beispielsweise permanent magnetische und kontaktlose lineare Wegsensoren (PLCD, von engl. Permanent-magnetic Linear Contactless Displacement sensors) eingesetzt. Diese Wegsensoren bestehen im Wesentlichen aus einem speziellen Kern aus weichmagnetischem Material, der auf seiner gesamten Länge von einer Spule umwickelt ist. An seinen Enden befinden sich Auswertespulen. Nähert sich an diesen Sensor ein Dauermagnet an, so führt dies zu einer lokalen magnetischen Sättigung und zu einer virtuellen oder magnetischen Teilung des Kernes. Durch Anlegen geeigneter Wechselströme kann nun in den Auswertespulen eine von der Position des Dauermagneten abhängige induzierte Spannung gemessen werden, die Aufschluss über die Position des Permanentmagneten gibt. Ein Nachteil dieses Konzeptes liegt darin, dass der Sensor den gesamten Weg des Dauermagneten abdecken muss, um eine Positionsbestimmung zu ermöglichen. Das PLCD-Messprinzip zur Wegerfassung benötigt damit viel Bauraum, der sich über die komplette Messlänge erstreckt. Bei Stellantrieben für Hinterachslenkaktuatoren kann diese Messlänge beispielsweise 20 Millimeter betragen.
Das Dokument DE 10 2008 032 046 A1 offenbart ein Konzept, bei dem eine Referenzposition eines Stellers in einem Sensor hinterlegt wird. Dies führt zu einem aufwendigen Sensor, da hier die Ablage der Stellerkalibrierwerte vorgesehen werden muss. Die Druckschrift DE 10 2007 007 234 A1 offenbart die Verwendung eines integrierten Weggebers in Form eines Linearsensors. Darüber hinaus kann ein Drehwinkelgeber verwendet werden, um über eine Winkeländerung der Spindel auf eine Positionsänderung zu schließen. Auch hierfür ist eine umfangreiche Sensorik notwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein verbessertes Konzept zu schaffen, mit dem eine Positionsbestimmung effizienter durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß den anhängigen unabhängigen Ansprüchen.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, bei einer Positionsbestimmung den Bereich, über den die Position bestimmt werden soll, zu unterteilen. Dieser Bereich kann beispielsweise in einen Messbereich und einen Detektionsbereich unterteilt werden. In dem Messbereich können Signale erfasst werden, denen eine Position direkt zugeordnet werden kann. In dem Detektionsbereich kann lediglich ein Vorhandensein festgestellt werden, d.h. es wird festgestellt, ob im Falle eines Magneten, dessen Position bestimmt werden soll, sich der Magnet in dem Detektionsbereich befindet oder nicht. Ausführungsbeispiele schaffen daher eine Anordnung zur Bestimmung einer Position eines Magneten auf einer Bahn. In Ausführungsbeispielen kann die Bahn beispielsweise linear sein, wie dies bei Stellantrieben der Fall ist. Bei Stellantrieben wird die Bahn beispielsweise durch eine Spindel-Achse und/oder deren Spindel-Mutter vorgegeben.
Selbstverständlich ist auch ein Funktionsprinzip denkbar, bei dem eine angetriebene Spindel oder Mutter eine Achse bewegt, mit der sie über entsprechende Gewinde wechselwirkt. In anderen Worten kann beispielswiese die Position einer Gewindespindel oder einer Bewegungsschraube, die zusammen mit anderen Elementen ein Schraubgetriebe bildet, bestimmt werden. Dabei wird eine rotatorische Bewegung in eine translatorische Bewegung umgewandelt. Gewindespindeln oder Stellantriebe können daher eine sog. Gewindestange aufweisen, also einen zylindrischen Rundstab, auf dem sich bei einfachen Anwendungen ein Trapez- oder Flachgewinde befindet. Dieses Gewinde steht in Wechselwirkung mit einem entsprechenden Gegengewinde auf der Spindel. Wie bereits oben erwähnt, können in Ausführungsbeispielen entweder die Spindel-Achse oder aber die Spindel-Mutter angetrieben sein, um den jeweiligen Gegenspieler in eine translatorische Bewegung zu versetzen.
Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf eine lineare Bahn beschränkt, in weiteren Ausführungsbeispielen sind auch Kurvenbahnen oder andere Trajektorien denkbar. In anderen Worten schaffen Ausführungsbeispiele eine Anordnung, die zur Bestimmung einer Position eines Magneten entlang einer solchen Bahn angepasst ist. Die Anordnung umfasst dabei einen Hall-Sensor und einen Hall-Schalter. Ein Hall-Sensor ist ein Bauteil, das auf ein magnetisches Feld reagiert. Fließt beispielsweise ein Strom durch den Hall-Sensor, so werden die damit verbundenen bewegten Ladungsträger durch ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld abgelenkt, sodass eine Spannung messbar wird. Diese Ausgangsspannung kann beispielsweise proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Stromstärke sein. Insofern kann ein Hall-Sensor auch ein zeitlich konstantes Magnetfeld erfassen, sofern der Hall-Sensor von einem Strom, d.h. von bewegten Ladungsträgern, durchflossen wird. In Ausführungsbeispielen kann der Hall-Sensor durch entsprechende zur Erfassung des Magnetfeldes geeignete Komponenten beschaltet sein.
Diese Komponenten können beispielsweise eine Temperaturkompensation oder eine Kalibrierung des Hall-Sensors bewirken. Hall-Sensoren an sich sind in mehreren Ausführungen bekannt. Beispielsweise kann ein Hall-Sensor als Spinning-Current-Hall-Sensor ausgeführt sein. Diese Art von Sensoren sieht vor eine Offset-Spannung, die beispielsweise durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. hervorgerufen werden, zu unterdrücken. Dazu werden Hall-Sensoren mit mehreren Anschlüssen konstruiert, wobei zwei der Anschlüsse zumeist als Stromversorgung dienen und zwei weitere als Ausgansspannungsanschlüsse, an denen die Hall-Spannung abgegriffen werden kann. In mehreren Phasen werden nun die Anschlüsse vertauscht und anschließend die Ergebnisse kombiniert, sodass sich die Offset-Spannungen gegenseitig aufheben können. Darüber sind mehrere Ausführungsformen der Sensorelemente denkbar, darunter horizontale und/oder vertikale Hall-Sensorelemente, sogenannte Hall-Plättchen, etc.
Ein Hall-Schalter kann beispielsweise über einen Hall-Sensor realisiert werden. Ein Hall-Schalter ermöglicht die Detektion eines Magnetfeldes, wobei die Stärke oder auch die Richtung eines Magnetfeldes dabei nicht zwingend bestimmt werden braucht. In anderen Worten kann der Hall-Schalter ein binäres Signal ausgeben, das anzeigt, ob ein Magnetfeld mit einer gewissen Feldstärke oder Flussdichte vorhanden ist oder nicht. Insofern kann das Ausgangssignal des Hall-Schalters eine Ein-/Auscharakteristik aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Hall-Schalter durch einen oben beschriebenen Hall-Sensor realisiert sein, wobei das Ausgangssignal des Hall-Sensors mit einem Schwellwert verglichen wird. Liegt die Hall-Spannung über dem Schwellwert, so wird ein Ausgangssignal gemäß einem ersten Binärwert ausgegeben, liegt die Hall-Spannung unter der Schwelle, so wird ein Ausgangssignal gemäß einem zweiten von dem ersten verschiedenen Binärwert ausgegeben.
Ausführungsbeispiele bieten daher den Vorteil, dass der Messbereich oder Funktionsbereich eines Hall-Sensors durch den Schaltbereich des Hall-Schalters erweitert werden kann. Dabei kann die Sensorik platzsparend untergebracht werden, da der Messweg deutlich länger als die räumliche Ausdehnung der Sensorelemente sein kann. Der Hall-Sensor kann dabei einen Funktionsbereich aufweisen, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors zumindest eine Erfassung eines Magnetfeldes mit einer gewissen Stärke oder Flussdichte des Magneten anzeigt. In anderen Worten kann der Erfassungsbereich für das Magnetfeld des Hall-Sensors größer sein, als dessen eigentlicher Messbereich. Beispielsweise kann eine geringe Hall-Spannung messbar sein, sobald ein magnetisches Streufeld vorhanden ist. Eine zuverlässige genaue Messung dieses Feldes, das heißt ein eindeutiger Rückschluss von der Hall-Spannung auf die Stärke oder auch Richtung des Magnetfeldes kann in diesem Bereich noch nicht geschehen.
Dennoch lässt dieser Bereich eine Detektion des Magnetfeldes zu. Dieser Funktionsbereich umgibt zumeist den Messbereich des Hall-Sensors. Anders formuliert gibt es einen Messbereich des Hall-Sensors, in dem der Hall-Ausgangsspannung eine Position des Magneten zugeordnet werden kann, der innerhalb des Funktionsbereiches liegt, wobei in dem übrigen Funktionsbereich, d.h. außerhalb des Messbereiches, anhand der Ausgangsspannung des Hall-Sensors festgestellt werden kann, ob sich der Magnet in dem Funktionsbereich befindet. Der Hall-Schalter kann in Ausführungsbeispielen einen Schaltbereich aufweisen, in dem bei Vorhandensein des Magneten ein Schaltzustand des Hall-Schalters wechselt, wobei sich der Funktionsbereich des Hall-Sensors mit dem Schaltbereich des Hall-Schalters überlappt. Der Schaltbereich des Hall-Schalters erweitert so den Funktionsbereich des Hall-Sensors. In anderen Worten weist der Hall-Sensor einen Messbereich entlang der Bahn auf, in dem den Messwerten des Hall-Sensors eine Position des Magneten in dem Messbereich zuordenbar ist.
Der Zusammenhang zwischen den Messwerten des Hall-Sensors und der Position des Magneten hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise von den Dimensionen des Magneten und denen des Hall-Sensors selbst. In manchen Ausführungsbeispielen kann hier ein linearer Zusammenhang bestehen. Außerhalb dieses Messbereiches kann der Hall-Sensor einen Bereich aufweisen, in dem nur noch das Vorhandensein des Magneten detektiert werden kann, nicht aber eine konkrete Zuordnung einer Position. Dieser Bereich kann durch den Schaltbereich des Hall-Schalters erweitert werden, sodass es außerhalb des Messbereiches einen weiteren Bereich gibt, der sich aus dem Funktionsbereich des Hall-Sensors und dem Schaltbereich des Hall-Schalters zusammensetzen kann, in dem ein Vorhandensein des Magneten detektierbar ist.
Ausführungsbeispiele können daher den Vorteil bieten, dass in einem mittleren Bereich die Position des Magneten mit hinreichender Genauigkeit bestimmbar ist, wobei außerhalb dieses Bereichs nur ein Vorhandensein des Magneten detektierbar ist. In anderen Worten kann beispielsweise bei einem Stellantrieb über die Position des Magneten die Position der Spindel bestimmt werden. Liegt die Position des Magneten, und damit die der Spindel, außerhalb des Messbereichs des Hall-Sensors, so gibt der Detektionsbereich Aufschluss darüber, auf welcher Seite des Messbereichs sich der Magnet befindet. Aus dieser Information geht weiterhin hervor, in welche Richtung die Spindel oder der Magnet bewegt werden muss, um zurück in den Messbereich zu gelangen. Damit ist eine aufwandsgünstige Anordnung möglich, die es erlaubt, festzustellen, in welcher Richtung der Messbereich liegt.
Beispielsweise im Falle einer Initialisierung eines Stellantriebs, d.h. wenn der Mittenbereich beispielsweise zur Initialisierung oder Kalibrierung angefahren werden soll, können Ausführungsbeispiele Auskunft darüber geben, in welche Richtung der jeweilige Magnet bewegt werden muss, um in den Messbereich zu gelangen. Dies kann beispielsweise bei einem Stellantrieb eines Hinterachslenkaktuators vorkommen, der, beispielsweise nach einem Ausfall der Versorgungsspannung, neu initialisiert wird. Dazu soll die Nullposition oder Mittenposition, d.h. diejenige Position, bei der eine Geradeausfahrt des Fahrzeugs gewährleistet ist, angefahren werden. Um dies möglichst genau bewerkstelligen zu können, kann ein Ausführungsbeispiel der Anordnung vorgesehen sein, wobei dann der Messbereich des Hall-Sensors die Null- oder Mittenposition umgibt. Unabhängig davon, wo sich der Magnet und damit die Spindel gerade befindet, gibt der Detektionsbereich Auskunft darüber, in welche Richtung die Spindel angetrieben oder der Magnet bewegt werden muss, um zur Mittenposition zu gelangen. Damit kann eindeutig entschieden werden, in welche Richtung der Magnet bewegt wird, sodass dieser zwangsläufig in den Messbereich gelangt. Sobald der Magnet in den Messbereich gelangt, kann dessen Position genau bestimmt werden, sodass die Mitten- oder Nullposition hinreichend genau eingestellt werden kann. Ausführungsbeispiele bieten somit den Vorteil, dass verschleißarm und aufwandsgünstig die Mitten- oder Nullposition des Stellantriebs angefahren werden kann.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anordnung einen zweiten Hall-Schalter mit einem zweiten Schaltbereich umfassen. Insofern wird der bisher beschriebene Hall-Schalter im Folgenden auch als erster Hall-Schalter bezeichnet. In dem zweiten Schaltbereich kann bei Vorhandensein des Magneten ein Schaltzustand des zweiten Hall-Schalters wechseln. Dabei kann der Funktionsbereich des Hall-Sensors mit dem Schaltbereich des zweiten Hall-Schalters überlappt werden und so weiter ausgedehnt werden. Insofern können Ausführungsbeispiele neben dem Hall-Sensor mit seinem Funktionsbereich, ein oder mehrere Hall-Schalter umfassen, die den Funktionsbereich des Hall-Sensors um die jeweiligen Schalt- oder Detektionsbereiche der ein oder mehreren Hall-Schalter erweitern. Insofern kann außerhalb des Messbereichs des Hall-Sensors jeweils festgestellt werden, in welche Richtung der Magnet bewegt werden muss, um zum Messbereich des Hall-Sensors zu gelangen. Insofern bieten Ausführungsbeispiele den Vorteil, dass über verhältnismäßig einfach implementierbare und kostengünstige Hall-Schalter der Detektionsbereich oder Funktionsbereich des Hall-Sensors nahezu beliebig erweiterbar ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anordnung auch einen zweiten Hall-Sensor mit einem zweiten Funktionsbereich umfassen, in dem ein Ausgangssignal des zweiten Hall-Sensors zumindest eine Erfassung des Magnetfeldes des Magneten anzeigt, wobei der zweite Funktionsbereich mit dem ersten Funktionsbereich des oben genannten Hall-Sensors überlappt. Folglich wird der bisher beschriebene Hall-Sensor im Folgenden auch als erster Hall-Sensor bezeichnet. Insofern weist der zweite Hall-Sensor einen zweiten Messbereich entlang der Bahn auf, wobei den zweiten Messwerten des zweiten Hall-Sensors in dem zweiten Messbereich eine Position des Magneten in dem zweiten Messbereich zuordenbar ist und wobei die zweiten Messwerte zur Plausibilitätsprüfung der ersten Messwerte heranziehbar sind.
In weiteren Ausführungsbeispielen können auch die Messbereiche der beiden Hall-Sensoren überlappt werden, sodass es einen Überlappungs-Messbereich gibt, in dem zwei Messwerte erfasst werden können, denen die jeweilige Position des Magneten zugeordnet werden kann. Insofern schafft der zweite Hall-Sensor eine Redundanz in den Messwerten, die beispielsweise zur Plausibilitätsüberprüfung herangezogen werden kann. In anderen Worten kann dann in Ausrührungsbeispielen vorgesehen sein, dass eine gültige Positionsbestimmung erst dann durchgeführt ist, wenn die Messwerte beider Hall-Sensoren die gleiche Position anzeigen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der zweite Hall-Sensor auch zur Ausfallstabilität beitragen, denn wenn einer der beiden Sensoren ausfallen sollte, so kann das Signal des anderen immer noch zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
In Ausführungsbeispielen kann der Messbereich des Hall-Sensors, der dem oben genannten ersten oder zweiten Hall-Sensor entsprechen kann, einen linearen Erfassungsbereich aufweisen, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors im Wesentlichen linear mit der Position des Magneten auf der Bahn zusammenhängt. Dieser lineare Zusammenhang kann durch das Ausgangssignal, d.h. eine Hall-Spannung, des Hall-Sensors direkt gegeben sein. In Ausführungsbeispielen können aber auch zusätzliche Komponenten mit dem Hall-Sensor derart verschaltet sein, dass sich der lineare Zusammenhang erst durch die Verschaltung ergibt. Der Hall-Schalter kann in Ausführungsbeispielen im Wesentlichen an einem Ende des im Wesentlichen linearen Erfassungsbereichs angeordnet sein. Der Hall-Schalter kann dann bezüglich des Hall-Sensors derart angeordnet sein, dass ein Schaltzustand des Hall-Schalters Auskunft darüber gibt, ob die Position des Magneten vor oder hinter dem Funktionsbereich oder Messbereich des Hall-Sensors liegt. Ausführungsbeispiele können somit den Vorteil bieten, dass der Schaltzustand des Hall-Schalters direkt angeben kann, auf welcher Seite des Messbereiches oder des Funktionsbereiches des Hallsensors sich der Magnet befindet.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Hall-Sensor als mehrdimensionaler Hall-Sensor ausgebildet sein. In anderen Worten kann der Hall-Sensor das magnetische Feld in mehreren Dimensionen erfassen. Denkbar sind dabei zwei- oder dreidimensionale Hall-Sensoren, die das magnetische Feld nach seiner Richtung und/oder nach seinem Betrag erfassen können. Insofern kann eine Zuordnung des gemessenen Feldes zu der Position des Magneten auch über die Richtung des Feldes erfolgen. In Ausführungsbeispielen kann der Hall-Sensor mit einem Analog-/Digital-(A/D)Wandler gekoppelt sein, dessen Ausgangssignal darüber hinaus einer digitalen Recheneinheit zugeführt werden kann. Die digitale Recheneinheit kann beispielsweise einem digitalen Signalprozessor (z.B. Digital Signal Processor, DSP) oder einem allgemeinen Prozessor, einem Micro-Controller, etc. entsprechen. Insofern kann das ausgegebene Signal durch Signalverarbeitung linearisiert werden, d.h. die Ausgangssignale des Sensorelementes können bzgl. Störgrößen kompensiert und/oder aufbereitet werden. Beispielsweise kann auch eine Kennlinienzuordnung erfolgen. Insbesondere bei der Erfassung nach der magnetischen Feldrichtung kann hier auch direkt ein einer Position zuordenbares Signal ausgegeben werden, das basierend auf der Richtung und des Betrages des Feldes ermittelt wird.
Ausführungsbeispiele schaffen ferner einen Stellantrieb mit einer Anordnung gemäß der obigen Beschreibung. Darüber hinaus schaffen Ausführungsbeispiele einen Hinterachslenkungsaktuator mit einem Stellantrieb gemäß der obigen Beschreibung.
Ausführungsbeispiele schaffen ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Magneten auf einer Bahn mit einem Hall-Sensor und einem Hall-Schalter. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen, anhand eines Funktionsbereiches des Hall-Sensors, ob der Magnet in dem Funktionsbereich des Hall-Sensors vorhanden ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen, anhand eines Schaltbereiches des Hall-Schalters, auf welcher Seite des Funktionsbereiches sich der Magnet befindet, wenn die Position des Magneten außerhalb des Funktionsbereiches des Hall-Sensors liegt. In Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ferner angepasst sein, um eine Null- oder Mittenposition in einem Messbereich des Hall-Sensors zu bestimmen. Das Verfahren kann dann das Bestimmen, auf welcher Seite des Funktionsbereiches sich der Magnet befindet, umfassen. Darüber hinaus kann das Verfahren ein Bewegen des Magneten in den Funktionsbereich bis ein Ausgangssignal des Hall-Sensors die Null- oder Mittenposition anzeigt, umfassen.
Ausführungsbeispiele schaffen ferner ein Computerprogramm zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren im Detail beschrieben. Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Bestimmung einer Position eines Magneten;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit zwei Hall-Sensoren als Linearwegsensor;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Stellantriebes mit einer Anordnung zur Positionsbestimmung;
4 die Abstände zwischen einem Magneten und dem Hall-Sensor bzw. dem Hall-Schalter in einem Ausführungsbeispiel;
5 zwei Signal-Weg-Diagramme aus zwei Ausführungsbeispielen;
6 eine Zustandstabelle zu dem ersten Signal-Weg-Diagramm aus 5;
7 eine Zustandstabelle zu dem zweiten Signal-Weg-Diagramm aus 5; und
8 ein Blockschaltbild eines Flussdiagramms eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Bestimmung einer Position.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die Ausführungsbeispiele zeigen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 100 zur Bestimmung einer Position eines Magneten 200 auf einer Bahn 300. Der Magnet 200 ist dabei mit seinen Polen, Südpol (S) und Nordpol (N), gezeigt. Die Anordnung 100 umfasst einen Hall-Sensor 110 und einen Hall-Schalter 120, wobei der Hall-Sensor 110 und der Hall-Schalter 120 hintereinander entlang der Bahn 300 angeordnet sind.
Die 1 zeigt ferner den Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors 110 zumindest eine Erfassung des Magnetfeldes des Magneten 200 anzeigt. Die 1 zeigt ferner einen Schaltbereich 122 des Hall-Schalters 120, in dem bei Vorhandensein des Magneten 200 ein Schaltzustand des Hall-Schalters 120 wechselt. Wie die Figur zeigt, überlappt der Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110 mit dem Schaltbereich 122 des Hall-Schalters 120.
Darüber hinaus zeigt die 1, dass der Hall-Sensor 110 einen Messbereich 114 entlang der Bahn 300 aufweist, wobei den Messwerten des Hall-Sensors 110 in dem Messbereich 114 eine Position des Magneten 200 in dem Messbereich 114 zuordenbar ist. Wie die 1 ferner zeigt, kann sich der Magnet 200 außerhalb des Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110 und gleichzeitig im Schaltbereich 122 des Hall-Schalters 120 befinden. In diesem Bereich kann zwar die Position des Magneten 200 nicht genau bestimmt werden, aber der Schaltzustand des Hall-Schalters 120 zeigt auf welcher Seite des Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110 sich der Magnet 200 befindet. Würde sich der Magnet auf der anderen Seite des Funktionsbereiches 112 befinden, so hätte der Hall-Schalter 120 den entsprechenden entgegengesetzten Schaltzustand.
Die 2 illustriert ein Ausführungsbeispiel in einem Linearwegsensor. Die 2 zeigt einen Hall-Sensor 110, der in einen Chip 130 integriert ist. Der Hall-Sensor 110 ist in der 2 auch mit „Die A“ bezeichnet. Als Die sei somit ein Chip verstanden, der mehrere Layer oder Schichten aufweisen kann. In dem Ausführungsbeispiel der 2 weist der Chip 130 zwei Unterchips oder Dies auf, d.h. der Chip 130 umfasst einen zweiten Hall-Sensor 115, der auch mit „Die B“ bezeichnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 100 einen zweiten Hall-Sensor 115 mit einem zweiten Funktionsbereich. In dem zweiten Funktionsbereich zeigt ein Ausgangssignal des zweiten Hall-Sensors 115 zumindest eine Erfassung eines Magnetfeldes des Magneten 200 an. Wie die folgenden Figuren zeigen werden, überlappt der zweite Funktionsbereich mit dem Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Hall-Sensoren 110 und 115 darüber hinaus als dreidimensionale Hall-Sensoren ausgeführt, die demnach ein magnetisches Feld nach seiner Richtung und seinem Betrag erfassen können.
Diese beiden Sensoren sind auf einem Chip 130 (Doppelchip, Dual-Die) integriert. In dem Ausführungsbeispiel wird ferner davon ausgegangen, dass auf dem Chip 130 ein A/D-Wandler integriert ist, sodass an dem Chip Digitalsignale ausgegeben werden können. Wie die 2 weiterhin zeigt umfasst der Linearwegsensor 400 darüber hinaus einen Micro-Controller 500. Der Micro-Controller 500 ist über zwei Schnittstellen, die vorliegend als serielles Peripher-Interface (Serial Peripheral Interface, SPI) ausgeführt sind, an den Chip 130 angebunden. Darüber hinaus zeigt die 2, dass der Hall-Switch oder Hall-Schalter 120 über eine digitale Schnittstelle ebenfalls mit dem Micro-Controller 500 verbunden ist. Der Micro-Controller 500 liest über die Schnittstellenanbindung die Sensorsignale aus und bereitet den Inhalt für das Schnittstellenprotokoll in Richtung ECU 700 auf. Je nachdem, welcher Controller im Einsatz ist, kann die Schnittstellenaufbereitung entweder direkt, oder mit Hilfe des Schieberegisters 600 erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass sich die beiden Messbereiche der beiden Hall-Sensoren im Wesentlichen überlappen, bzw. im Wesentlichen deckungsgleich sind. Der Micro-Controller 500 kann darüber hinaus die Signale der beiden Hall-Sensoren 110 und 115 entsprechend anpassen oder verarbeiten, sodass beispielsweise oben genannte Plausibilitätsüberprüfung anhand der beiden Signale durchgeführt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen können die beiden Hall-Sensoren 110 und 115 auch geometrisch voneinander abweichen, d.h. deren Messbereich können sich nicht exakt überlappen, sondern voneinander abweichen, wie es im Folgenden noch betrachtet wird.
Der Micro-Controller 500 kann ausgebildet sein, um auch solche Abweichungen auszugleichen. Wie die 2 weiter zeigt, gibt der Micro-Controller 500 seine Ausgangssignale an ein Schieberegister 600 weiter, das wiederrum über eine Schnittstelle mit einer elektronischen Kontrolleinheit (Electronic Control Unit, ECU) verbunden ist. Das Schieberegister 600 kann z.B. als Parallel-Seriell-Wandler dienen. Die Schnittstelle zwischen dem Schieberegister und der Kontrolleinheit 700 kann beispielsweise als PAS (Peripheral Acceleration Sensor interface), PSI (Peripheral Sensor Interface), SPI (Serial Peripheral Interface/bus), als SENT (Single Edge Nibble Transmission)-Schnittstelle, usw. ausgebildet sein.
In dem Ausführungsbeispiel des Linearwegsensors 400 in der 2 sind die Schnittstellen zwischen dem Chip 130 und dem Micro-Controller 500 sowie zwischen dem Schieberegister 600 und der Kontrolleinheit 700 nur beispielhaft zu verstehen. Generell können die Signale der Sensoren 110 und 115 über verschiedenste Schnittstellen an die Logikeinheit 700 übergeben werden. Z.B. kommen hier analoge Spannungssignale oder auch Stromsignale in Frage. Darüber hinaus können pulsweitenmodulierte Signale (PWM) mit Strom- oder Spannungsmodulation verwendet werden. Die oben bereits aufgeführten Schnittstellen, d.h. die SENT, PAS, PSI5, SPI, usw. -Schnittstellen, können an den jeweiligen Übergängen zwischen den digitalen Komponenten zum Einsatz kommen. Bei Verwendung eines Bussystems können neben den eigentlichen Sensorsignalen auch Diagnosesignale, z.B. der 3D-Hall-Sensoren 110 und 115, übermittelt werden, was den Einsatz in sicherheitskritischen Applikationen ermöglichen kann. Bei sicherheitskritischen Applikationen kommen beispielsweise ASIL D-Anwendungen (von Automotive Safety Integrity level) in Frage.
Der zweite Hall-Sensor 115 weist in dem Ausführungsbeispiel einen zweiten Messbereich entlang der Bahn 300 auf, wobei auch den zweiten Messwerten des zweiten Hall-Sensors 115 in dem zweiten Messbereich eine Position des Magneten 200 in dem zweiten Messbereich zuordenbar ist. Die zweiten Messwerte können in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Plausibilitätsprüfung der ersten Messwerte herangezogen werden.
Die 3 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Stellantriebs 1000, der eine entsprechende Anordnung 100 umfasst. Der Stellantrieb 1000 umfasst einen Motor 900, der eine Spindel 800 antreibt. Die Spindel setzt sich aus einem Gewindestab 800 und einer Mutter 1100 zusammen, wobei der Magnet 200 auf der Mutter befestigt ist. Treibt der Motor 900 die Spindel 800 an, so führt die Mutter 1100 samt des Magneten 200 eine Linearbewegung aus. Insofern entspricht die Bahn 300 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Linearbewegung. Oberhalb des Magneten 200, der sich in der 3 in einer Null- oder Mittenposition befindet, befindet sich die Anordnung 100, die mit der elektronischen Kontrolleinheit 700 gekoppelt ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Stellantrieb 1000 in einem Hinterachslenkunsaktuator integriert oder umfasst sein.
Die 4 zeigt eine weitere Ansicht der anhand der 2 beschriebenen Anordnungen. 4 zeigt den Magneten 200 mit seinem Südpol (S) und seinem Nordpol (N). Es wird darauf hingewiesen, dass in weiteren Ausführungsbeispielen die Ausrichtung der Pole des Magneten 200 selbstverständlich auch umgekehrt gewählt werden kann. Darüber hinaus zeigt die 4 die Anordnung 100 mit den Hall-Sensoren 110 und 115 und dem Hall-Schalter 120. Die Hall-Sensoren 110 und 115 sind in der 4 leicht versetzt dargestellt, wobei deren Abstand beispielsweise 1 Millimeter betragen kann. Der Micro-Controller kann die beiden um diese Strecke versetzten Messbereiche der Hall-Sensoren 110 und 115 entsprechend anpassen oder abgleichen. Die 4 illustriert ferner den Abstand zwischen dem Magneten 200 und den aktiven Flächen der 3D-Hall-Sensoren 110 und 115 sowie zu der aktiven Fläche des Hall-Schalters 120.
Die 5 illustriert zwei Signal-Weg-Diagramme, wie sie in Ausführungsbeispielen vorkommen können. Im oberen Teil der 5 befindet sich ein erstes Signal-Weg-Diagramm, wie es in einem Ausführungsbeispiel mit einem Hall-Sensor 110 und zwei Hall-Schaltern 120 vorkommen kann. In anderen Worten wird in der 5 oben ein Ausführungsbeispiel betrachtet, bei dem die Anordnung 100 einen zweiten Hall-Schalter mit einem zweiten Schaltbereich aufweist, in dem bei Vorhandensein des Magneten ein Schaltzustand des zweiten Hall-Schalters wechselt. Der Funktionsbereich des Hall-Sensors 110 überlappt mit dem Schaltbereich des zweiten Hall-Schalters. In einigen Ausführungsbeispielen kann sich der Funktionsbereich des Hall-Sensors 110 zwischen den Schaltbereichen der beiden Hall-Schalter befinden. Ein solches Ausführungsbeispiel wird in der 5 oben betrachtet. In weiteren Ausführungsbeispielen können sich auch die Schaltbereiche der Hall-Schalter überlappen, sodass der Funktionsbereich des Hall-Sensors 110 nicht beidseitig sondern einseitig entsprechend zweimal verlängert werden kann.
Die in der 5 gezeigten Signale sind beispielhaft in einem Bereich von 0 bis 5 Volt dargestellt. Dieser Bereich kann auch auf einen prozentualen Ausgangswert abgebildet werden, die 5 gibt entsprechend eine Skala von 0 bis 100 Prozent an. Die 5 zeigt oben das Ausgangssignal des Micro-Controllers 500 für den Hall-Sensor 110. Das Ausgangssignal ist dabei über die Aufenthaltsorte des Magneten 200 aufgetragen, der sich zwischen einem ersten Endbereich (Endbereich 1, Position 1) und einem zweiten Endbereich (Endbereich 2, Position 5) hin und her bewegt. Der Signalverlauf des Hall-Sensors 110 wird im Folgenden erläutert anhand einer Bewegung des Magneten 200 von der Position 1, über die Position 2 zu Position 3 und über die Position 4 zur Position 5. In der Position 1 befindet sich der Magnet 200 in einem ersten Endbereich, in dem der Hall-Sensor 110 kein zuverlässiges Ausgangssignal bezüglich des magnetischen Feldes des Magneten 200 liefert. Dies entspricht dem Endbereich 1 auf der Spindel 800. Die 6 zeigt eine Zustandstabelle zu dem Signalverlauf 1 der 5, aus dem hervorgeht, dass das Signal 3D-Hall-Sensors 110 bei der Position 1 ein Diagnosesignal ist, d.h. dieses Signal erlaubt lediglich eine Funktionsüberprüfung des Hall-Sensors 110. Wenn sich der Magnet 200 nun Richtung Position 2 bewegt, so tritt der Magnet in den Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110 ein, was im Signalverlauf der 5 durch einen Sprung, der den Beginn des Funktionsbereiches 112 markiert, angezeigt ist. Dieses Signal wird in der Tabelle der 6 als „untere Klemmung“ bezeichnet, da er einem unteren Signalpegel entspricht. Bewegt sich der Magnet 200 weiter in Richtung Position 3, so tritt dieser in den Messbereich 114 des Hall-Sensors 110 ein.
Wie die 5 in dem Messbereich 114 zeigt, weist der Messbereich 114 des Hall-Sensors einen linearen Erfassungsbereich auf, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors 110 im Wesentlichen linear mit der Position des Magneten 200 auf der Bahn 300 zusammenhängt. Wie auch aus der 3 hervorgeht, ändert sich die Richtung des magnetischen Feldes wenn sich der Magnet 200 entlang der Positionen 1 bis 5 bewegt. Wenn sich der Magnet von der Position 3 an die Position 4 wiederrum bewegt, so tritt dieser aus dem Messbereich 114 des Hall-Sensors 110 aus. Die Richtung des Feldes erreicht dann einen oberen Pegel, der in der Tabelle der 6 auch als „obere Klemmung“ bezeichnet ist, da er einem oberen Signalpegel entspricht. Bewegt sich der Magnet 200 weiter auf den Endbereich 2 oder die Position 5 zu, so verlässt er den Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110 (untere Klemmung), wobei das Ausgangssignal des Hall-Sensors 110 danach wieder auf den Diagnosepegel abfällt. Die 5 zeigt darüber hinaus das Signal-Weg-Diagramm des Hall-Schalters 120, welches in der 5 als gestrichelte Linie dargestellt ist. Darüber hinaus zeigt die 5 ein Signal-Weg-Diagramm eines zweiten Hall-Schalters 125, welches in der 5 als strich-punktierte Linie dargestellt ist.
Die beiden Pfeile in der 5, die mit „Signal-Hall-Schalter“ bezeichnet sind, zeigen in etwa die Position der beiden Hall-Schalter 120 und 125 an. Die Tabelle 6 stellt dabei die Schaltzustände, d.h. die Ausgangssignale der beiden Schalter den jeweiligen Wegpositionen gegenüber. Wie die 5 zeigt, befindet sich das Ausgangssignal des Hall-Schalters 120 bis zur Position 2 im Aus- oder engl. „low“-Bereich. Etwa beim Übergang zu dem Messbereich 114 des Hall-Sensors 110 ändert der Hall-Schalter 120 seinen Ausgang auf den oberen Signalpegel, engl. „high“. Befindet sich nun der Magnet außerhalb des Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110, so kann der Signalpegel des Schalters 120 Aufschluss darüber geben, auf welcher Seite des Funktionsbereiches 112 sich der Magnet 200 befindet. Die funktioniert zumindest in den Grenzen des Schaltbereichs des Hall-Schalters 120. Es wird darauf hingewiesen, dass der Schaltbereich des Hall-Schalters 120 eine Hysterese aufweist, d.h. der Schaltvorgang wird nders ausgelöst, je nach dem von welcher Seite sich der Magnet dem Schaltbereich des Hall-Schalters 120 annähert.
Wie die 5 zeigt, überlappt der Schaltbereich mit dem Funktionsbereich 112 des Sensors, sodass zumindest in die linke Richtung, der Funktionsbereich 112 erweitert werden kann, was in der 5 bis vor den ersten Endbereich geschieht. In anderen Worten kann in diesem Bereich vor dem ersten Endbereich im Schaltbereich des Hall-Schalters 120 an dessen niedrigen Signalpegel erkannt werden, dass der Magnet 200 sich auf der linken Seite des Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110 befindet.
Der erste Signalverlauf der 5 zeigt darüber hinaus das Ausgangssignal des zweiten Hall-Schalters 125, der auch in der Tabelle in der 6 wiedergegeben ist. Der Signalpegel des zweiten Hall-Schalters 125 befindet sich an den Positionen 1, 2 und 3 permanent auf dem höheren Pegel und schaltet dann etwa ab Position 4 auf den niedrigen Pegel, auf dem er dann bis hinter den zweiten Endbereich an Position 5 bleibt. In anderen Worten erweitert der Schaltbereich des zweiten Schalters 125 den Funktionsbereich 112 auch zur rechten Seite. Wenn sich der Magnet 200 demnach rechts der Position 5 befindet, jedoch noch innerhalb des Schaltbereichs 125, so kann am niedrigen Signalpegel des Hall-Schalters 125 erkannt werden, dass der Magnet 200 den Funktionsbereich 112 nach rechts verlassen hat.
In diesem Fall kann eine entsprechende Logik erkennen, dass der Magnet 200 nach links bewegt werden muss, um in die Mitten- oder Nullposition zu gelangen. Die Mitten- oder Nullposition ist in der 5 als Position 3 angegeben, in der sich beispielsweise ein weiterer Sensor, z.B. ein mechanischer Sensor, befinden kann.
Das Ausführungsbeispiel zeigt ferner, dass der Messbereich 114 des Hall-Sensors 110 einen linearen Erfassungsbereich aufweist, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors 110 im Wesentlichen linear mit der Position des Magneten 200 auf der Bahn 300 zusammenhängt. Darüber hinaus ist der Hall-Schalter 120 bezüglich des Hall-Sensors 110 derart angeordnet, dass der Schaltzustand des Hall-Schalters 120 Auskunft darüber gibt, ob die Position des Magneten 200 vor oder hinter dem Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110 liegt.
In Ausführungsbeispielen kann damit eine Initialisierung an einem Hinterachslenkaktuator aufwandsgünstig und effizient durchgeführt werden. Gemäß den oben beschriebenen Signalen kann festgestellt werden, auf welcher Seite des Messbereiches 114 sich der Magnet 200 befindet, sodass die Spindel entsprechend angesteuert werden kann, um den Magneten in den linearen Bereich 114 zu bringen. Damit kann dort beispielsweise eine Initialisierung anderer Steuerelemente, die beispielsweise in einem Steuergerät für die Spindel vorhanden sind, vorgenommen werden.
Die 5 zeigt im unteren Teil einen weiteren Verlauf eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Anordnung einen Hall-Sensor 110, einen zweiten Hallsensor 115 und einen Hall-Schalter 120 aufweist. Die strickpunktierte Linie zeigt dabei den Schaltbereich des Schalters 120, der ähnlich dem Schaltbereich des Schalters 125 des ersten Ausführungsbeispiels der 5 verläuft. Darüber hinaus zeigt das untere Diagramm der 5 das Ausgangssignal des Hall-Sensors 110, mit seinem Funktionsbereich 112 und seinem Messbereich 114. Ferner zeigt der gestrichelte Verlauf der 5 unten das Signal-Weg-Diagramm des zweiten Hall-Sensors 115, das ebenfalls einen linearen Messbereich und einen Funktionsbereich aufweist. Die Ausgangssignale der Hall-Sensoren 110 und 115 zeigen außerhalb ihres Funktionsbereiches jeweils eine untere Klemmung und sind nach oben jeweils durch eine obere Klemmung beschränkt. Die 7 zeigt die zugehörige Zustandstabelle für den unteren Verlauf der 5.
Aus der Zustandstabelle der 7 geht hervor, dass sich der Schalter 120 an den Positionen 1 und 2 beim oberen Signalpegel befindet und an den Positionen 4 und 5 am unteren Signalpegel. Der Übergang vom oberen zum unteren Signalpegel findet etwa bei der Position 3 statt, wobei die 5 wieder eine entsprechende Hysterese anzeigt. In einem solchen Ausführungsbeispiel können die beiden Messbereiche der Hall-Sensoren 110 und 115 ausgenutzt werden, um eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen. Wie die 5 näherungsweise zeigt, ergibt die Summe der beiden Signale in deren Messbereichen etwa einen konstanten Wert, was zur Überprüfung der Plausibilität beider Signale herangezogen werden kann. Bei Verwendung eines kleinen Magneten 200 dienen im Endbereich der Wegerfassung die Hall-Schalter 120 und 125 dazu, eine Bereichsunterscheidung vorzunehmen, was für die Stellerfunktion, d.h. eine Einstellfunktion für die Achse des Stelltriebes, ausreichend sein kann, um in Kombination mit dem Kommutierungssensoren eines Stellmotors 900 die beabsichtigte Stellbewegung auszuführen. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Schalt-Sensor wegfallen, wenn alle Signale gegeneinander plausibilisiert werden. Beispielsweise kann ein Schaltsignal auf dem oberen Pegel (high) anzeigen, dass die Spindel ausgefahren ist. Ein Signalpegel auf niedrigem Level (low) kann dann die eingefahrene Stellung anzeigen, vergleiche Zustandstabelle in 7.
Die Plausibilisierung kann dann in einer Logikeinheit stattfinden, wie beispielsweise einem Steuergerät oder der elektronischen Kontrolleinheit 700, die mit den Sensoren 110, 115, 120, 125 kommuniziert. Der Einsatz von mehreren Hall-Schaltern 120, 125, die beispielsweise in Reihe angeordnet sind, kann die Verlängerung des Verfahrweges so ermöglichen. Wenn nur eine Signalleitung verwertet werden soll, so können die Signale auf der Sensorleiterplatte mit einem Oder-Glied zusammengeführt werden. Ausführungsbeispiele können so insbesondere die Initialisierung an einem Hinterachslenkungsaktuator effizienter und einfacher ermöglichen.
8 zeigt ein Blockschaltbild eines Flussdiagramms eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Bestimmung einer Position eines Magneten auf einer Bahn 300 mit einem Hall-Sensor 110 und einem Hall-Schalter 120. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen 10 anhand eines Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110, ob der Magnet 200 in dem Funktionsbereich 112 des Hall-Sensors 110 vorhanden ist. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Bestimmens 20 anhand eines Schaltbereiches des Hall-Schalters 120, auf welcher Seite des Funktionsbereiches 112 sich der Magnet 200 befindet, wenn die Position des Magneten außerhalb des Funktionsbereiches 112 des Hall-Sensors 110 liegt.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann in dem Verfahren eine Null- oder Mittenposition in einem Messbereich 114 des Hall-Sensors 110 bestimmt werden. Das Verfahren umfasst dann ebenfalls den Schritt des Bestimmens 20 auf welcher Seite des Funktionsbereiches 112 sich der Magnet 200 befindet. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Bewegens 30 des Magneten 200 in den Funktionsbereich 112 bis ein Ausgangssignal des Hall-Sensors 110 die Null- oder Mittenposition anzeigt.
Ausführungsbeispiele schaffen ferner ein Computerprogramm zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmalen können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-Ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch einen Prozessor, einen Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System on Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, um über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.
Ein Programm gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hineinschreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch ein Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch ein Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste

10: Bestimmen
20: Bestimmen
30: Bewegen
100: Anordnung
110: Hall-Sensor
112: Funktionsbereich
114: Messbereich
115: Zweiter Hall-Sensor
120: Hall-Schalter
122: Schaltbereich
125: Zweiter Hall-Schalter
130: Chip
200: Magnet
300: Bahn
400: Linearwegsensor
500: Micro-Controller
600: Schieberegister
700: Elektrische Kontrolleinheit
800: Spindel
900: Motor
1000: Stellantrieb
1100: Mutter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008032046 A1 [0005]
DE 102007007234 A1 [0005]

Claims

Anordnung (100) zur Bestimmung einer Position eines Magnten (200) auf einer Bahn (300), mit einem Hall-Sensor (110) und einem Hall-Schalter (120), wobei der Hall-Sensor (110) und der Hall-Schalter (120) hintereinander entlang der Bahn (300) angeordnet sind.
Anordnung (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Hall-Sensor (110) einen Funktionsbereich (112) aufweist, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors (110) zumindest eine Erfassung eines Magnetfeldes des Magneten (200) anzeigt, wobei der Hall-Schalter (120) einen Schaltbereich (122) aufweist, in dem bei Vorhandensein des Magneten (200) ein Schaltzustand des Hall-Schalters (120) wechselt, und wobei der Funktionsbereich (112) des Hall-Sensors (110) mit dem Schaltbereich (122) des Hall-Schalters (120) überlappt.
Anordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hall-Sensor (110) einen Messbereich (114) entlang der Bahn (300) aufweist, wobei den Messwerten des Hall-Sensors (110) in dem Messbereich (114) eine Position des Magneten in dem Messbereich (114) zuordenbar ist.
Anordnung (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, die einen oder mehrere weitere Hall-Schalter mit jeweils einem Schaltbereich aufweist, in dem bei Vorhandensein des Magneten ein Schaltzustand des jeweiligen Hall-Schalters wechselt, und wobei der Funktionsbereich (112) des Hall-Sensors (110) mit den Schaltbereichen der weiteren Hall-Schalter überlappt und/oder wobei der Schaltbereich (122) des Hall-Schalters (120) mit den Schaltbereichen der weiteren Hall-Schalter überlappt.
Anordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, die einen zweiten Hall-Sensor (115) mit einem zweiten Funktionsbereich umfasst, in dem ein Ausgangssignal des zweiten Hall-Sensors (115) zumindest eine Erfassung eines Magnetfeldes des Magneten (200) anzeigt, wobei der zweite Funktionsbereich mit dem Funktionsbereich (112) des Hall-Sensors (110) überlappt.
Anordnung (100) gemäß Anspruch 5, wobei der zweite Hall-Sensor (115) einen zweiten Messbereich entlang der Bahn (300) aufweist, wobei den zweiten Messwerten des zweiten Hallsensors (115) in dem zweiten Messbereich eine Position des Magneten (200) in dem zweiten Messbereich zuordenbar ist, wobei die zweiten Messwerte (115) zur Plausibilitätsprüfung der ersten Messwerte heranziehbar sind.
Anordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Messbereich (114) des Hall-Sensors (110) einen linearen Erfassungsbereich aufweist, in dem ein Ausgangssignal des Hall-Sensors (110) im Wesentlichen linear mit der Position des Magneten (200) auf der Bahn (300) zusammenhängt.
Anordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Hall-Schalter (120) bezüglich des Hall-Sensors (110) derart angeordnet ist, dass ein Schaltzustand des Hall-Schalters (120) Auskunft darüber gibt, ob die Position des Magneten (200) vor oder hinter dem Funktionsbereich (112) des Hall-Sensors (110) liegt.
Anordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hall-Sensor (110) als mehrdimensionaler Hall-Sensor ausgebildet ist, und/oder wobei der Hall-Sensor (110) mit einem A/D-Wandler gekoppelt ist und der A/D-Wandler ferner mit einer digitalen Recheneinheit (500) gekoppelt ist.
Anordnung (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Hall-Sensor (110) ein dreidimensionaler Hall-Sensor ist und/oder wobei durch den Hall-Sensor (110) ein Magnetfeld des Magneten nach Betrag und Richtung erfassbar ist.
Stellantrieb (1000) mit einer Anordnung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Hinterachslenkungsaktuator mit einem Stellantrieb (1000) gemäß dem vorangehenden Anspruch.
Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Magneten auf einer Bahn (300) mit einem Hall-Sensor (110) und einem Hall-Schalter (120), mit Bestimmen (10) anhand eines Funktionsbereichs (112) des Hall-Sensors (110), ob der Magnet (200) in dem Funktionsbereich (112) des Hall-Sensors (110) vorhanden ist; und Bestimmen (20), anhand eines Schaltbereiches (122) des Hall-Schalters (120), auf welcher Seite des Funktionsbereiches (112) sich der Magnet (200) befindet, wenn die Position des Magneten (200) außerhalb des Funktionsbereiches (112) des Hall-Sensors (110) liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem eine Null- oder Mittenposition in einem Messbereich (114) des Hallsensors (110) bestimmt wird, mit Bestimmen (20) auf welcher Seite des Funktionsbereiches (112) sich der Magnet (200) befindet; und Bewegen (30) des Magneten (200) in den Funktionsbereich (112) bis ein Ausgangssignal des Hall-Sensors (110) die Null- oder Mittenposition anzeigt.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 13 oder 14, wenn das Computerprogramm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.