DE102019121802B3

DE102019121802B3 - Anordnung und Verfahren zur Einstellung eines binären magnetischen Positionssensors

Info

Publication number: DE102019121802B3
Application number: DE102019121802.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas WIELATH; Jörg Poser; Mathias Sträßle
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-08-14

Abstract

Binärer magnetischer Positionssensor für Hochdruck-Anwendungen, wobei eine Auswerteeinheit 4 dazu ausgebildet ist, Messwertänderungen zu erfassen, und mit gespeicherten Messwerten zu vergleichen, wobei ein Messwert X(n) als ein unterer Umkehrwert Xu betrachtet wird, wenn er mindestens um einem Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener Messwert und ein nachfolgender Messwert ist, wobei ein Messwert X(n) als oberer Umkehrwert Xo betrachtet wird, wenn er mindestens um einem Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist, wobei die Auswerteeinheit 4 dazu ausgebildet ist, festzustellen, ob eine Mindestanzahl m von Umkehrwerten Xu oder Xo ermittelt wurde, wobei sich die unteren Umkehrwerte maximal um Δxu, und die oberen Umkehrwerte maximal um Δxo unterscheiden dürfen, und anhand der Umkehrwerte Xo, Xu die Schwellwerte S1 und S2 neu zu berechnen. Darüber hinaus wird das zugehörige Auswerteverfahren beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein zugehöriges Verfahren zur Einstellung eines binären magnetischen Positionssensors für Hochdruck-Anwendungen mit einem ferromagnetischen Gehäuse gemäß den Ansprüchen 1 und 2.
Magnetische Positionssensoren sind seit langem bekannt und werden als binäre Schalter zur Endlagenerkennung an einem Arbeitszylinder aber auch zur Erkennung eines Stößels in einem Hochdruck-Schmierstoffverteiler eingesetzt. Das Target kann einen Gebermagneten tragen oder von einem Sensor-Magneten (Felderzeuger) magnetisiert werden. Als Sensoren kommen meist Hall-Elemente oder magnetoresistive AMR- oder GMR-Elemente in Frage.
Bei magnetischen Positionssensoren sind fremde, nicht zum Messsystem gehörende Magnetfelder meist störend, denn sie beeinflussen die Messwerte (das Sensorsignal). Häufig führt diese Beeinflussung dazu, dass der Positionssensor fehlerhaft oder gar nicht mehr funktioniert. Deshalb ist es üblich, den Arbeitspunkt des Positionssensors und somit auch den Schaltpunkt des magnetischen Sensors nachzuführen. Derartige Sensoren werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Beispielhaft zeigt die DE 102013214425 A1 einen solchen magnetischen Positionssensor bzw. magnetoresistiven Näherungsschalter, welcher mit einem magnetischen Winkelsensor als magnetoresistives Sensorelement zur Detektion von Objekten eingesetzt wird. Die durch das Target verursachte Richtungsänderung des Magnetfelds wird dabei durch den magnetischen Winkelsensor erfasst und ausgewertet. Der Positionssensor kann als M10-Näherungsschalter mit einem Metallgehäuse aus Edelstahl ausgeführt sein. Dadurch ist ein sehr kompakter Näherungsschalter gegeben, der auch bei hohen Druckbelastungen, wie sie im Hydraulikbereich vorkommen können, eingesetzt werden kann.
Die DE 102018101772 A1 beschreibt eine Schmierstoffverteileranordnung mit einem als Magnetsensor ausgestalteten Sensor, der dazu eingerichtet ist, durch Erfassung des Kolbenhubs über mindestens zwei Bewegungszyklen, Erfassen des Minimal- und Maximalabstandes und entsprechendes Optimieren der Steuerung, den optimalen Arbeits- bzw. Schaltpunkt einzulernen.
Die DE 102015107221 B4 zeigt einen Näherungssensor mit einem Autokorrekturverfahren zur Kompensation einer Drift. Schaltpunkte werden auf Basis der Ableitung des Messsignals angepasst. Allerdings wird die Nachführung dabei zeitlich über Timeouts begrenzt. Nach einer Be- und Entdämpfung wird nachgeführt, ohne eine Plausibilitätsprüfung zu machen, um wechselnde Störungen auszuschließen.
Die EP 3 117 187 B1 beschreibt einen binären magnetischen Positionssensor mit einem Schwellwertdetektor und einem Spitzendetektor (Spitzenwertdetektor) bzw. mit einer Spitzenwertsuchschaltung, um die positiven und negativen Spitzenwerte des Magnetfeldsignals zu detektieren. Weiterhin umfasst der Magnetfeldsensor ein Schwellenwertezeugungsmodul, welches die gemessenen Spitzenwerte erfasst und die (Schalt-) Schwellwerte als vorbestimmte Prozentsätze, beispielsweise -15%, der (gemessenen) Spitzenwerte festlegt.
Da sich die berechneten (Schalt-) Schwellwerte keinesfalls unterhalb (innerhalb) des Rauschpegels bewegen dürfen, wird zum einen eine automatische Verstärkungsregelung und zum anderen die Berücksichtigung der Standardabweichung der Rauschamplitude vorgeschlagen.
Hinweise zur Ausblendung von langsam veränderlichen Störmagnetfeldern von starken Permanentmagneten sind dieser Druckschrift nicht entnehmbar.
Somit ist dieses Verfahren zur Erkennung des Stößels in einem Schmierstoffverteiler weniger geeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen binären magnetischen Positionssensor für Hochdruck-Anwendungen mit einem Auswerteverfahren anzugeben, der besonders zur Ausblendung langsam veränderlicher Störmagnetfelder hoher Feldstärke geeignet ist, die beispielsweise bei der Überwachung des Stößels in einem Schmierstoffverteiler vorkommen. Dabei soll die Schaltschwelle selbsttätig nachgeführt (angepasst) werden.
Diese Aufgabe wird mit der Anordnung nach Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, Messwertgradienten zu erfassen, und mit gespeicherten Werten zu vergleichen. Dazu wird ein erster Messwert als ein unterer Umkehrwert betrachtet, wenn er mindestens um einen Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener Messwert und ein nachfolgender Messwert ist, und ein zweiter Messwert als oberer Umkehrwert betrachtet, wenn er mindestens um einen Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist.
Nun wird festgestellt, ob eine Mindestanzahl von Umkehrwerten vorliegt, wobei sich die unteren Umkehrwerte maximal um einen Wert Δxu, und die oberen Umkehrwerte maximal um einen Wert Δxo unterscheiden dürfen. Erst wenn diese Kriterien erfüllt sind, werden die Schwellwerte S1 und S2 anhand der Umkehrwerte Xo, Xu neu berechnet.
Durch diese Vorgehensweise werden kurze impulsartige, vor allem aber hochfrequente Magnetfeldänderungen als Rauschen erkannt und deshalb nicht bei der Anpassung des Schaltpunkts berücksichtigt. Starke langsam veränderliche Magnetfelder, die von in der Nähe befindlichen ferromagnetischen Maschinenteilen oder Permanentmagneten stammen, werden als Offsetgrößen erkannt und kompensiert, ohne dass der Eingriff eines Bedieners oder ein Lernvorgang dazu erforderlich ist.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltpunktnachführung muss der Sensor nicht schalten, um eine Neuberechnung der Schaltschwelle zu veranlassen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt einen schematisch dargestellten Schmierstoffverteiler als Schnittbild,
2 zeigt ein Signaldiagramm des oben gezeigten magnetischen Positionssensors.

Die 1 zeigt einen (Hochdruck) Schmierstoffverteiler in einem ferromagnetischen Gehäuse 7 mit (Verteiler-) Anschlüssen 8 und einem störenden Permanentmagneten 9. Ein senkrechter Pfeil kennzeichnet die Schmierstoffzufuhr. Ein Doppelpfeil symbolisiert die Kolbenbewegung.
Zur besseren Erkennbarkeit ist der Sensor vergrößert dargestellt, und die Zylinderwand des Schmierstoffverteilers 7 durchbrochen. Der Sensor ist so stark vergrößert, dass er einen der Verteileranschlüsse 8 verdeckt, was in praxi natürlich nicht der Fall ist.
Der Positionssensor weist einen Permanentmagneten 2 auf, der zur Felderzeugung dient. Dieser befindet sich in unmittelbarer Nähe einer als Messbrücke betriebenen AMR-Zelle 3, die mit einer Auswerteeinheit 4, hier ein Mikrocontroller µC, verbunden ist, der zur Parametrierung und Auswertung der AMR-Messzelle 3 dient.
Die Auswerteeinheit 4 wurde auf die absolut wesentlichen Baugruppen beschränkt. Der Mikrocontroller µC weist einen Analog-Digitalwandler zur Erfassung und Digitalisierung von zeitlich nacheinander ermittelten Messwerten X(n) auf. Außerdem steuert er eine binäre Schaltstufe 5, ohne die Erfindung auf diese Ausgestaltung zu beschränken.
Außerdem ist die Auswerteinheit 4 in der Lage, über eine Bus-Schnittstelle 6, die als 10-Link ausgestaltet sein kann, mit einer übergeordneten Steuereinheit zu kommunizieren. Sie kann neben der Ausgabe von Messwerten und Statusmeldungen zum Empfang von Steuerbefehlen und zur Ausgabe eines binären Positionssignals verwendet werden. Eine Stromversorgung, sowie vom Fachmann mitgelesene elektrische Verbindungen wurden zur besseren Übersicht weggelassen.
Der bewegliche Stößel (Kolben) 1 weist eine hohe magnetische Permeabilität auf, so dass er durch einen an der äußeren Zylinderwand angeordneten Permanentmagneten 9 magnetisiert werden könnte.
Die selbstverständlich geschlossene Stirnseite des Hochdruck-Hydraulikzylinders 7 ist hier nicht dargestellt ist.
Der mit 9 bezeichneter störende Permanentmagnet sorgt für die gestrichelt dargestellte Feldverzerrung. Ohne den Magneten 9 gilt das mit Vollstrich gezeichnete Magnetfeld.
Die Auswerteinheit 4 ist dazu ausgebildet, den Schaltpunkt des Positionssensors in einem adaptiven Lernvorgang einzustellen, wobei das nachfolgend noch ausführlicher erläuterte erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt.
Die 2 zeigt ein typisches Signaldiagramm für den beschriebenen Positionssensor. Dargestellt ist ein fiktiver Signalverlauf an der vom Target 1 beeinflussten AMR-Zelle 3. Die Messwerte X(n) sind über einer mit t bezeichneten Zeitachse dargestellt, wobei die Messungen permanent in bestimmten Zeitintervallen erfolgen.
Links sieht man zwei durch beispielsweise den Magneten 9 (ein störendes Magnetfeld) hervorgerufene Extrempunkte, wobei jeder Punkt in dem zweidimensionalen Diagramm durch einen Messwert und einem Zeitwert n(t) charakterisiert ist. Im Folgenden werden zur Vereinfachung nur die zeitlich aufeinander folgenden Messwerte X(n) betrachtet.
Die Messwerte X(n) werden mit einer Schaltschwelle S1 verglichen, deren hier nicht dargestellter Startwert S0 beträgt.
Die Auswerteeinheit 4 erfasst permanent Messwerte, und vergleicht sie mit vorherigen gespeicherten Messwerten, wobei ein Messwert X(n) als ein unterer Umkehrwert Xu(m) betrachtet wird, wenn er mindestens um den Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener Messwert und ein nachfolgender Messwert ist. Ein Messwert X(n) wird als oberer Umkehrwert Xo(m) betrachtet, wenn er mindestens um einen Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist, wobei die Auswerteeinheit 4 feststellt, ob eine Mindestanzahl m von Umkehrwerten Xu oder Xo ermittelt wurde, wobei sich die unteren Umkehrwerte maximal um Δxu, und die oberen Umkehrwerte maximal um Δxo unterscheiden dürfen. In diesem Fall werden anhand der Umkehrwerte Xo, Xu die Schwellwerte S1 und S2 als deren relative (%) Anteile neu berechnet.
Zur Berechnung der Schaltschwellen wird zuerst der Signalbereich Xo-Xu berechnet. Die Schaltschwelle wird aus einem relativen Anteil des Signalbereichs und Xu (als Offset) zusammengesetzt. Der relative Anteil von S1 und S2 muss unterschiedlich sein, sonst hat der Schalter keine Hysterese. Je nachdem ob der relative Anteil von S1 kleiner oder größer als der relative Anteil von S2 ist, funktioniert der Schalter als Öffner oder Schließer.
Das Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors umfasst die folgenden Schritte:

- Festlegung eines (ersten) Schwellwerts (Schaltschwelle) S1 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals (mit einem Startwert S1 = S0).
- Vergleichen von Messwerten X(n) mit dem Schwellwert S1.
- Erfassen der Messwerte und deren Vergleich mit vorher gespeicherten Werten.
- Definieren eines Umkehrwertes Xo, wenn er mindestens um einen Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert X(<n-1) oder X(>n+1) ist. Es muss nicht der direkte Vorgänger oder Nachfolger sein, sondern lediglich nach dem letzten erkannten Umkehrpunkt liegen.
- Definieren eines Umkehrwertes Xu, wenn er mindestens um einen Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert X(<n-1) oder X(>n+1) ist. Auch hier muss es nicht der direkte Vorgänger oder Nachfolger sein, sondern lediglich nach dem letzten erkannten Umkehrpunkt liegen.
- Feststellen, ob eine Mindestanzahl m von Umkehrwerten Xu oder Xo ermittelt wurde,
- Prüfen, ob sich die unteren Umkehrwerte maximal um einen Wert Δxu, und die oberen Umkehrwerte Xo sich maximal um einen Wert Δxo voneinander unterscheiden.
- Neuberechnung der Schwellwerte S1 und S2 anhand der Umkehrwerte Xo, Xu.

Bezugszeichenliste

1: Target, Stößel (Kolben), ferromagnetisch, hochpermeabel
2: Permanentmagnet zur Vormagnetisierung, Felderzeuger
3: Magnetischer Positionssensor, AMR-, GMR,- oder Hall-Messzelle
4: Auswerteeinheit, Mikrocontroller µC
5: Binäre Schaltstufe, Schaltausgang
6: Bus-Schnittstelle, Kommunikationsaus,- bzw. Eingang
7: Hochdruck-Hydraulikzylinder, druckfestes Gehäuse aus magnetischem Stahl
8: Verteileranschluss des Schmierstoffverteilers
9: Störender Permanentmagnet, unerwünschte Vormagnetisierung

Claims

Binärer magnetischer Positionssensor für Hochdruck-Anwendungen mit einem beweglichen Target (1), wobei der Magnetsensor einen Permanentmagneten (2) und einen magnetischen Winkelsensor (3), sowie eine Auswerteeinheit (4) aufweist, wobei der magnetischen Winkelsensor (3) von dem Target (1) beeinflussbar ist, wobei die Auswerteeinheit (4) dazu geeignet ist, von der Targetposition abhängige Messwerte zu erfassen, und aus den Messwerten ein binäres Schaltsignal zu erzeugen, wobei die Messwerte mit einer Schaltschwelle verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, Messwerte permanent zu erfassen, und mit vorangegangenen Werten zu vergleichen, wobei ein Messwert X(n) als ein unterer Umkehrwert Xu betrachtet wird, wenn er mindestens um einem Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener Messwert und ein nachfolgender Messwert ist, wobei ein Messwert X(n) als oberer Umkehrwert Xo betrachtet wird, wenn er mindestens um einem Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist, wobei die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, festzustellen, ob eine Mindestanzahl m von Umkehrwerten Xu oder Xo ermittelt wurde, wobei sich die unteren Umkehrwerte maximal um Δxu, und die oberen Umkehrwerte maximal um Δxo unterscheiden dürfen, und anhand der Umkehrwerte Xo, Xu die Schwellwerte S1 und S2 neu zu berechnen.
Verfahren zum Betreiben eines Positionssensors nach Anspruch 1 mit den Schritten: - Festlegung eines ersten Schwellwerts S1 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals. - Vergleichen von Messwerten X(n) mit dem Schwellwert S1. - Erfassen von Messwerten und deren Vergleich mit vorangegangenen Messwerten. - Definieren eines Umkehrwertes Xo, wenn er mindestens um einem Betrag Δx größer als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist. - Definieren eines Umkehrwertes Xu, wenn er mindestens um einem Betrag Δx kleiner als ein vorausgegangener und ein nachfolgender Messwert ist. - Feststellen, ob eine Mindestanzahl m von Umkehrwerten Xu oder Xo ermittelt wurde, - Prüfen, ob sich die unteren Umkehrwerte maximal um einen Wert Δxu, und die oberen Umkehrwerte Xo sich maximal um einen Wert Δxo voneinander unterscheiden. - Neuberechnung der Schwellwerte S1 und S2 anhand der Umkehrwerte Xo, Xu.