DE102013217881A1

DE102013217881A1 - Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors für Pneumatikzylinder

Info

Publication number: DE102013217881A1
Application number: DE102013217881.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Poser
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Bei einem Positionssensor für Pneumatikzylinder wird das Ausgangssignal eines im Positionssensor vorgesehenen Komparators, das Detektionssignal, zu bestimmten Zeitpunkten getastet. Wenn das Detektionssignal nicht zu allen Abtastzeitpunkten denselben Signalpegel aufweist, bleibt das Schaltsignal des Positionssensors, welches vor dem Abtastintervall ausgegeben wurde, beibehalten. Wenn das Abtastsignal zu allen Zeitpunkten den selben Signalpegel aufweist, wird das diesem Signalpegel entsprechende Schaltsignal generiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors für Pneumatikzylinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Positionssensoren für Pneumatikzylinder werden vielfach in der Automatisierungstechnik zum Erfassen der Kolbenstellung in Pneumatikzylindern verwendet. Sie werden auch als Positionssensoren oder Zylindersensoren bezeichnet. Verschiedene Zylindersensoren werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Häufig werden bei Schweißanlagen zum Zusammenfügen von Blechteilen Pneumatikzylinder eingesetzt.
In der Regel besteht die Wand des Gehäuses in dem sich der Kolben bewegt aus einem nichtmagnetisierbaren Material (z.B. Aluminium, Messing oder Edelstahl). Der Positionssensor detektiert durch die Gehäusewand ein Magnetfeld, das einen Magnet, der auf dem Kolben angebracht ist, erzeugt wird.
Die Positionssensoren bestehen in der Regel aus einem Sensorelement (AMR-Zelle, GMR-Zelle, Hall-Zelle oder Spule mit Schwingkreis), das auf das Magnetfeld anspricht. In einer Verstärkerschaltung wird das Signal des Sensorelements verstärkt und einem Komparator zugeführt. Sobald das verstärkte Sensorsignal eine Schaltschwelle übersteigt, generiert der Komparator ein Detektionssignal. Dieses Detektionssignal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die eine Endstufe ansteuert, die ein Schaltsignal (low/High) erzeugt, das an eine externe Steuerung (z. B. SPS) übertragen wird.
Wichtig bei Positionssensoren ist die Schaltfrequenz mit der der Positionssensor schalten kann.
Bei vielen Positionssensoren liegt die Schaltfrequenz im kHz-Bereich. Bei induktiv arbeitenden Sensoren typischerweise bei 500 Hz.
Durch Störeinflüsse insbesondere durch hohe elektrische Ströme von elektrischen Antrieben oder bei Widerstandsschweißanlagen, die mit Wechselstrom arbeiten, kann am Eingang des Komparators ein Signal erzeugt werden, das nicht von der Kolbenposition herrührt und das zu einem falschen Detektionssignal führt.
Um Fehlschaltungen bzw. unerwünschte Schaltimpulse zu unterdrücken ist es üblich nach dem Komparator ein RC-Glied vorzusehen, das ein schnell variierendes Detektionssignal glättet. Nachteil dieser RC-Glieder ist aber, dass durch sie die Schaltfrequenz erheblich reduziert (z. B. von 500 Hz -> 2 Hz) wird und dass insbesondere die Kondensatoren der RC-Glieder einen hohen Platzbedarf benötigen. Das RC-Glied muss von vorne herein auf die Länge der zu erwartenden Störimpulse ausgelegt werden. Treten unerwartet doch längere Störimpulse auf, werden diese nicht mehr ausreichend unterdrückt.
Die Gehäuse von Positionssensoren für Pneumatikzylinder haben sehr kleine Abmessungen (z. B. 5 × 5× 25 mm).
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors für Pneumatikzylinder anzugeben, das die obengenannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere gegen Störimpulse von Schweißanlagen unempfindlich ist und das eine sehr kompakte Bauform des Positionssensors ermöglicht.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, das Ausgangssignal des Komparators zu bestimmten Zeitpunkten eines Abtastintervalls abzutasten und nur wenn das Detektionssignal (Komparator-Ausgangssignal) zu allen Abtastzeitpunkten den gleichen Signalpegel bzw. die gleiche Signalamplitude aufweist, wird das Detektionssignal als sicher angesehen und ein dem „konstanten“ Signalpegel entsprechendes Schaltsignal auszugeben.
Wenn das Detektionssignal zu den Abtastzeitpunkten eines Abtastintervalls nicht den gleichen Pegel (Amplitude) aufweist, wird das Detektionssignal dieses Abtastintervalls für unsicher angesehen und das Schaltsignal des zuletzt für sicher angesehenen Abtastintervalls weiterhin ausgegeben.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines Pneumatikzylinders mit einem Positionssensors
2 herkömmlicher Positionssensor
3 erfindungsgemäßer Positionssensor
3a zeitlicher Verlauf des Eingangssignals am Mikrocontroller eines Positionssensors mit einer Störung der Dauer Ts
3b zugehöriges Schaltsignal ohne Störunterdrückung
3c zugehöriges Schaltsignal mit erfindungsgemäßen Störunterdrückung
4a zeitlicher Verlauf der Abtastung von 1 Kilohertz Störimpulsen mit den ersten 8 Abtastpunkten AP1–AP8 in einem Abtastintervall
4b zeitlicher Verlauf aller 15 Abtastpunkte, wobei insbesondere die Abtastzeitunkte AP9–AP15 zur Abtastung von 50 Hertz Störimpulsen dienen.
1 zeigt einen Pneumatikzylinder mit einem Kolben der in einem Gehäuse pneumatisch hin und her bewegt wird in sehr schematischer Darstellung. Die Kolbenstange kann z. B. mit einem Greifer der Blechteile hält verbunden sein.
Die Position des Kolbens, an dem ein Magnet befestigt ist, wird mit Hilfe eines Positionssensors für Pneumatikzylinder erfasst.
2 zeigt einen herkömmlichen Positionssensor in schematisch vereinfachter Darstellung.
Mit einem Sensorelement (AMR-Zelle, GMR-Zelle, Hall-Zelle oder einer Spule mit Schwingkreis) wird das vom Magneten generierte B-Feld bzw. dessen Änderung erfasst.
In einer Sensorschaltung wird das Ausgangssignal des Sensorelements verstärkt und einem Komparator zugeführt. Der Komparator erzeugt ein Detektionssignal, wenn das verstärkte Sensorsignal eine Schaltschwelle übersteigt. Der Ausgang des Komparators ist mit einem RC-Glied und einer Auswerteschaltung verbunden. Die Auswerteschaltung steuert eine Endstufe an, die das Schaltsignal generiert, dass zu einer externen Steuerung z.B. einer SPS weitergeleitet wird.
Nur wenn die Ausgangsspannung am RC-Glied einen Mindestwert erreicht hat wird dies von der Auswerteeinheit als Annäherung des Magneten, der am Kolben angebracht ist, angesehen.
Aufgrund des RC-Glieds wird die Schaltfrequenz erheblich verringert.
3 zeigt den erfindungsgemäßen Positionssensor für Pneumatikzylinder. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Positionssensor ist hier der Ausgang des Komparators direkt mit einem Mikrocontroller µC verbunden, der ebenfalls eine Endstufe ansteuert. Der Mikrocontroller tastet das Detektionssignal zu bestimmten Abtastzeitpunkten ab und steuert, wenn gewisse Bedingungen erfüllt sind, die Endstufe entsprechend an.
In 4a sind nur die ersten acht Abtastpunkte AP1 bis AP8 eines Abtastintervalls mit insgesamt 15 Abtastzeitpunkten dargestellt. Diese Abtastzeitpunkte weisen jeweils einen Abstand von 0,125 msec auf. Mit dieser Folge von Abtastpunkten können höherfrequente Störeinflüsse z.B. im Bereich 1 kHz sicher erfasst werden.
In 4b sind alle 15 Abtastpunkte eines Abtastintervalls in einem Diagramm dargestellt. Die ersten 8 Abtastpunkte haben den Abstand von 0,125 Millisekunden, die Abtastpunkte AP9 bis AP15 jeweils von 2,5 Millisekunden. Mit der zweiten Folge der Abtastpunkte mit dem Abstand 2,5 Millisekunden werden insbesondere Störimpulse im Bereich 50 Hz erfasst.
Erfindungsgemäß ändert sich das Schaltsignal der Endstufe nicht, wenn an den Abtastpunkten 1 bis AP15 unterschiedliche Signalpegel vorliegen. In diesem Fall wird das zuletzt als gültig angesehene Detektionssignal des vorhergehenden Abtastintervalls oder eines noch früheren weiterhin herangezogen, um das Schaltsignal zu erzeugen. Wenn die Störung sich über mehrere Abtastintervalle hinzieht, wird entsprechend der Schaltzustand des zuletzt „gültigen“ Abtastintervalls aufrechterhalten.
Ist dagegen an allen Abtastpunkten AP1 bis AP15 der Signalpegel konstant low bzw. konstant high, so wird des Detektionssignal in diesem Abtastintervall als gültig angesehen und deshalb wird das entsprechende Schaltsignal low oder high ausgegeben.
Der Positionssensor kann so sehr schnell auf Änderungen des Detektionssignals reagieren, da sich die Änderung des Signalpegels nur für ein Abtastintervall als konstant erweisen muss. Die Reaktionszeit des Positionssensors liegt somit bei der Länge eines Abtastintervalls. Trotzdem verkraftet er Störimpulse quasi beliebiger Länge. Bei Störungen verharrt er quasi im Zustand vor der Störung. Wenn die Störung nicht mehr vorhanden ist, gibt er das dem aktuell vorliegenden Detektionssignal entsprechende Schaltsignal aus.
Zur Verdeutlichung des Unterschieds zum Stand der Technik wird auf die 3a, 3b, 3c verwiesen. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf des Eingangssignals am Mikrocontroller (Detektionssignal) mit einer Störung der Dauer Ts bei einem Signalpegel high, der eigentlich dem Zustand Kolben wird detektiert entspricht.
3b zeigt das zugehörige Schaltsignal am Ausgang der Endstufe wenn keine erfindungsgemäße Störunterdrückung stattfinden würde. Während der Störung ändert sich das Schaltsignal laufend.
3c ist das zugehörige Schaltsignal mit der erfindungsgemäßen Störunterdrückung dargestellt. Hier wird trotz Störung ein konstantes Schaltsignal ausgegeben.
Zu Verdeutlichung der Erfindung hier noch ein kurzes Beispiel. Der Positionssensor detektiert den Kolben vor der Störung nicht und nach der Störung auch nicht. So wird vor nach und auch während der Störung ein konstantes Schaltsignal („keine Kolbendetektion“) ausgegeben.
Der Positionssensor detektiert den Kolben vor der Störung nicht und aber danach. So wird auch während der Störung ein konstantes Schaltsignal („keine Kolbendetektion“) ausgegeben. Kurz nach dem Ende der Störung ändert sich der Schaltzustand auf („Kolben wird detektiert“)
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich auch sehr kleine Positionssensoren für Pneumatikzylinder zu realisieren, die durch Störsignale insbesondere von Widerstandsschweißanlagen nicht beeinträchtigt werden.
Trotzdem reagiert der erfindungsgemäße Positionssensor auf das Vorbeifahren eines Magneten (Kolbens) schnell und zuverlässig.
Zum Testen eines erfindungsgemäßen Positionssensors kann auch ein Magnet von Hand an dem Positionssensor vorbei geführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Störsignale von Schweißanlagen, die mit sehr langen Schweißpulsen (4 Sekunden oder auch länger) arbeiten, sicher ausgeblendet werden.
Die Erfindung kann auch zur Unterdrückung von Störsignalen bei induktiven Näherungsschaltern, die von der Anmelderin in einer Vielzahl hergestellt und vertrieben werden, eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf Positionssensoren für Pneumatikzylinder beschränkt. Sie kann auch bei Hydraulikzylinder oder bei anderen Anwendungen, bei denen die Bewegung eines Magneten durch eine Gehäusewand hindurch detektiert werden muss, eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors für Pneumatikzylinder mit • einem Sensorelement • einer Sensorschaltung • einem Komparator, der ein Detektionssignal ausgibt, wenn eine Schaltschwelle überschritten wird • einem Mikrocontroller • einer Endstufe mit Schaltausgang • wobei der Schaltausgang, ein Schaltsignal mit den zwei Zuständen logisch 1 bzw. logisch 0 ausgibt dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssignal des Komparators mehrmals hintereinander in einem Abtastintervall ∆T, mit ∆T ≤ 1 sec, zu bestimmten Zeitpunkten AP1, AP2, ... APn abgefragt wird und a) wenn zu allen Zeitpunkten AP1, AP2, ... APn in einem Abtastintervall das Ausgangssignal des Komparators LOW ist, das Detektionssignal in diesem Abtastintervall als gültig angesehen wird und als Schaltsignal eine logische 0 ausgegeben wird b) wenn zu allen Zeitpunkten AP1, AP2, ... APn das Ausgangssignal des Komparators HIGH ist, das Detektionssignal in diesem Abtastintervall als gültig angesehen wird und als Schaltsignal eine logische 1 ausgegeben wird c) wenn das Ausgangssignal des Komparators nicht zu allen Zeitpunkten AP1, AP2, ... APn gleich ist, das Detektionssignal als ungültig angesehen wird und als Schaltsignal weiterhin das vor dem Zeitpunkt AP1 zuletzt gültigen Detektionssignal eines Abtastintervalls am Schaltausgang entsprechend unverändert ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt 15 Zeitpunkte AP1–AP15 gewählt werden und die Abstände der Zeitpunkte unterschiedlich lang sind, um Störimpulse mit unterschiedlicher Frequenz zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten 8 Abtastzeitpunkte AP1–AP8 einen Abstand von 0.125 msec und die Abtastzeitpunkte AP9–AP15 einen Abstand von 2.5 msec aufweisen um insbesondere Störpulse von 50 Hz bzw. 1kHz zu erfassen.