DE102022122599B3 - Method for detecting a position of a target using a linear magnetic position sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Position (x) eines Ziels (T) mittels eines linearen magnetischen Positionssensors mit zumindest zwei Sensorelementen (E1, E2), die eingerichtet sind, einen Magnetfeldvektor des Ziels (T) zu messen. Es wird ein Messen des Magnetfeldvektors des Ziels (T) durch zumindest ein Sensorelement (E1, E2) durchgeführt. Aus dem Magnetfeldvektor wird eine Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels berechnet. Schließlich wird die Position des Ziels (T) mittels einer linearen Funktion aus der Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels und der Position (x1, x2) des zumindest einen Sensorelements (E1, E2) ermittelt.The invention relates to a method for detecting a position (x) of a target (T) using a linear magnetic position sensor with at least two sensor elements (E1, E2) which are set up to measure a magnetic field vector of the target (T). The magnetic field vector of the target (T) is measured by at least one sensor element (E1, E2). A tangent function of half the vector angle is calculated from the magnetic field vector. Finally, the position of the target (T) is determined using a linear function from the tangent function of half the vector angle and the position (x1, x2) of the at least one sensor element (E1, E2).
Description
Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der magnetischen Positionssensoren, welche die Position eines Ziels durch Messung eines Magnetfeldvektors des Ziels erfassen. Das Ziel ist entweder selbst magnetisch oder es ist ein Magnetfeldgeber an dem Ziel angeordnet. Lineare magnetische Positionssensoren weisen typischerweise mehrere Sensorelemente auf, die entlang einer Geraden parallel zur Bewegungsrichtung des Ziels und im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Sensorelemente messen den Magnetfeldvektor - also den Vektor der magnetischen Flussdichte - des Ziels.The present invention lies in the field of magnetic position sensors, which detect the position of a target by measuring a magnetic field vector of the target. The target is either magnetic itself or a magnetic field transmitter is arranged on the target. Linear magnetic position sensors typically have several sensor elements that are arranged along a straight line parallel to the direction of movement of the target and at the same distance from one another. The sensor elements measure the magnetic field vector - i.e. the magnetic flux density vector - of the target.
Stand der TechnikState of the art
Herkömmlicherweise wird zur Erfassung der Position des Ziels der Vektorwinkel des Ziels - also der Winkel zwischen dem Ortsvektor des Ziels und dem Richtungsvektor der Geraden, in der die Sensorelemente angeordnet sind, (daher dem Richtungsvektor zwischen zwei benachbarten Sensorelementen) - berechnet. Hierfür wird typischerweise die „arctan2“-Funktion der axialen Komponente des Magnetfeldvektors - also der Komponente des Vektors der magnetischen Flussdichte, die in Richtung der Geraden der Sensorelemente zeigt - und der radialen Komponente des Magnetfeldvektors - also der Komponente des Vektors der magnetischen Flussdichte senkrecht zur axialen Komponente - verwendet.Conventionally, to detect the position of the target, the vector angle of the target - i.e. the angle between the location vector of the target and the direction vector of the straight line in which the sensor elements are arranged (hence the direction vector between two adjacent sensor elements) - is calculated. For this purpose, the “arctan2” function of the axial component of the magnetic field vector - i.e. the component of the magnetic flux density vector that points in the direction of the straight line of the sensor elements - and the radial component of the magnetic field vector - i.e. the component of the magnetic flux density vector perpendicular to the axial component - used.
Die genaue Bestimmung der Position ist allerdings aufgrund des Verlaufs der arctan2-Funktion erschwert. Es sind Ansätze zur Erfassung der Position bekannt, die nur relativ lineare Teile des asymmetrischen Magnetfeldvektors oder der arctan2-Funktion verwenden. Durch die ungenaue Bestimmung der Position ist der lineare magnetische Positionssensor hinsichtlich des Erfassungsbereichs und der Mindestanzahl der Sensorelemente pro Längeneinheit beschränkt.However, the precise determination of the position is difficult due to the course of the arctan2 function. There are known approaches to detecting the position that only use relatively linear parts of the asymmetric magnetic field vector or the arctan2 function. Due to the inaccurate determination of the position, the linear magnetic position sensor is limited in terms of the detection range and the minimum number of sensor elements per unit length.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfassung der Position zu verbessern und die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.It is the object of the present invention to improve the detection of the position and to increase the accuracy of the position determination.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- Ein Magnetfeldvektor des Ziels, dessen Position erfasst werden soll, wird durch zumindest ein Sensorelement des linearen magnetischen Positionssensors gemessen. Insbesondere misst jedes Sensorelement jeweils den Magnetfeldvektor des Ziels. Bei den meisten Anwendungen ist das Ziel in einer axialen Anordnung, bei der sein magnetisches Dipolmoment (oder das magnetische Dipolmoment des am Ziel angeordneten Magnetfeldgebers) nur in Bewegungsrichtung des Ziels oder entgegen der Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, und in einer radialen Anordnung, bei der das Dipolmoment in einer senkrechten Richtung zur Bewegung des Ziels oder entgegen dieser ausgerichtet ist. Aufgrund der bekannten Symmetrie der axialen und der radialen Anordnung, reicht es bei den meisten Anwendungen aus, den Magnetfeldvektor in zwei Dimensionen zu messen. Die erste Dimension ist parallel zur Bewegungsrichtung und zumindest zwei Sensorelemente sind in dieser Richtung in bekannten Abständen, insbesondere äquidistant angeordnet und weisen eine sensitive Achse in Richtung dieser ersten Dimension auf. Eine zweite Dimension verläuft senkrecht zur ersten Dimension durch das geometrische Zentrum des Ziels. Die Anordnungslinie der Sensorelemente weist eine weitere sensitive Achse in Richtung dieser zweiten Dimension auf.
- A magnetic field vector of the target whose position is to be detected is measured by at least one sensor element of the linear magnetic position sensor. In particular, each sensor element measures the magnetic field vector of the target. In most applications, the target is in an axial arrangement in which its magnetic dipole moment (or the magnetic dipole moment of the magnetic field transmitter located at the target) is oriented only in the direction of movement of the target or against the direction of movement, and in a radial arrangement in which the dipole moment is oriented in a direction perpendicular to or counter to the movement of the target. Due to the known symmetry of the axial and radial arrangement, in most applications it is sufficient to measure the magnetic field vector in two dimensions. The first dimension is parallel to the direction of movement and at least two sensor elements are arranged in this direction at known distances, in particular equidistantly, and have a sensitive axis in the direction of this first dimension. A second dimension runs perpendicular to the first dimension through the geometric center of the target. The arrangement line of the sensor elements has a further sensitive axis in the direction of this second dimension.
Aus dem gemessenen Magnetfeldvektor wird ein Wert einer Tangens-Funktion des halben Vektorwinkels ermittelt. Diese Funktion wird im Folgenden als „retan“-Funktion bezeichnet und wird gemäß Formel 1 berechnet:
Bx bezeichnet dabei die axiale Komponente und Bz die radiale Komponente des Magnetfeldvektors. arctan2(Bx, Bz) ergibt den Vektorwinkel des Magnetfeldvektors. φ+ ist eine optionale Größe, welche die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels angibt. Der Wert von φ+ ist im Vorhinein bekannt oder kann unabhängig vom vorliegenden Verfahren bestimmt werden.B x denotes the axial component and B z the radial component of the magnetic field vector. arctan2(B x , B z ) gives the vector angle of the magnetic field vector. φ + is an optional quantity that indicates the orientation of the target's magnetic dipole. The value of φ + is known in advance or can be determined independently of the method at hand.
Der halbe Vektorwinkel αB dieser Vektoren kann über die Formel 2 berechnet werden:
Die retan-Funktion ist eine relativ lineare Funktion der Position des Ziels und weist vor allem gegenüber der arctan2-Funktion der entsprechenden Magnetfeldkomponenten eine deutlich höhere Linearität über den gesamten relevanten Messbereich hinweg auf. Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen der Position des Ziels und der retan-Funktion, kann eine lineare Funktion für die Position des Ziels und die retan-Funktion aufgestellt werden, die in Formel 4 ausgedrückt ist:
Es können weitere Messungen mit anderen Sensorelementen durchgeführt werden und entsprechende lineare Funktionen aufgestellt werden. Dabei kann derselbe Wert für die Steigung angenommen werden.Further measurements can be carried out with other sensor elements and corresponding linear functions can be set up. The same value can be assumed for the slope.
Mittels der linearen Funktion für die retan-Funktion und der relativen longitudinalen Position des zumindest einen Sensorelements wird schließlich gemäß Formel 4 die Position des Ziels berechnet.Using the linear function for the retan function and the relative longitudinal position of the at least one sensor element, the position of the target is finally calculated according to
Im Ergebnis wird die Position des Ziels mit Hilfe der retan-Funktion ermittelt, die hochgradig linear ist. Die Linearität ist auch für große Abstände zwischen den Sensorelementen gegeben, sodass weniger Sensorelemente pro Längeneinheit verwendet werden können, was zu einer Kostenreduktion bei der Herstellung des Positionssensors führt. Zudem erstreckt sich der Erfassungsbereich des Positionssensors über die Sensorelemente hinaus, sodass auch außerhalb eines Sensorgehäuses, in dem die Sensorelemente angeordnet sind, gemessen werden kann. Hierdurch kann auch ein kurzer Sensor einen relativ großen Erfassungsbereich abdecken. Schließlich können aufgrund der Linearität die Erfassungsbereiche von verschiedenen Positionssensoren kombiniert werden, um noch größere Erfassungsbereiche zu bilden.As a result, the position of the target is determined using the retan function, which is highly linear. The linearity is also given for large distances between the sensor elements, so that fewer sensor elements are used per unit length can be det, which leads to a cost reduction in the production of the position sensor. In addition, the detection range of the position sensor extends beyond the sensor elements, so that measurements can also be carried out outside a sensor housing in which the sensor elements are arranged. This means that even a short sensor can cover a relatively large detection range. Finally, due to the linearity, the detection areas of different position sensors can be combined to form even larger detection areas.
Eine bevorzugte Weise die Kalibrierung durchzuführen, um die Steigung der linearen Funktion zu ermitteln, stellt die Selbstkalibrierung mittels der zumindest zwei Sensorelemente dar, bei der folgende Schritte durchgeführt werden. Zwei Sensorelemente messen jeweils einen Magnetfeldvektor des Ziels - also insgesamt zwei Magnetfeldvektoren -, wobei sich das Ziel an einer willkürlichen Position innerhalb des Erfassungsbereichs befindet. Für jeden Magnetfeldvektor wird die retan-Funktion gemäß Formel 1 berechnet. Hierbei kann die optionale Größe φ+, welche die Orientierung des magnetischen Dipols des Ziels angibt, weggelassen werden, da diese für beide Messungen übereinstimmt und sich in der nachfolgenden Berechnung herauskürzt. Dann wird für jede retan-Funktion der Wert an der Position des Ziels berechnet.A preferred way to carry out the calibration in order to determine the slope of the linear function is self-calibration using the at least two sensor elements, in which the following steps are carried out. Two sensor elements each measure a magnetic field vector of the target - a total of two magnetic field vectors - with the target located at an arbitrary position within the detection range. For each magnetic field vector, the retan function is calculated according to
Aus den beiden Werten der retan-Funktionen wird die Differenz berechnet und schließlich das Verhältnis zwischen dem Abstand der beiden Sensorelemente, welcher durch den Aufbau des Positionssensors festgelegt wird und somit bekannt ist, und der Differenz der beiden Werte der retan-Funktion an der Position des Ziels gebildet. Wie nachfolgend gezeigt, entspricht dieses Verhältnis der Steigung der oben beschriebenen linearen Funktion für beide Sensorelemente.The difference is calculated from the two values of the retan functions and finally the ratio between the distance between the two sensor elements, which is determined by the structure of the position sensor and is therefore known, and the difference between the two values of the retan function at the position of the Target formed. As shown below, this ratio corresponds to the slope of the linear function described above for both sensor elements.
Die lineare Funktion für das erste Sensorelement wird, wie oben beschrieben, durch die Formel 4 ausgedrückt:
Analog lässt sich eine lineare Funktion für das zweite Sensorelement aufstellen, die durch die Formel 4* ausgedrückt wird:
Hierbei bezeichnet x weiterhin die Position des Ziels, x2 bezeichnet die Position des zweiten Sensorelements, R2 bezeichnet den Wert der retan-Funktion für die Messung mit dem zweiten Sensorelement - also R2 = retan(Bx2,Bz2,φ+) - und m bezeichnet dieselbe Steigung wie in Formel 4 für das erste Sensorelement.Here, x further denotes the position of the target, x 2 denotes the position of the second sensor element, R 2 denotes the value of the retan function for the measurement with the second sensor element - i.e. R 2 = retan(B x2 ,B z2 ,φ + ) - and m denotes the same slope as in
Durch Subtraktion der beiden Gleichungen 4 und 4* erhält man die folgende Gleichung:
Somit lässt sich bereits mit zwei Sensorelementen eine Selbstkalibrierung durchführen, mit der ein Wert für die Steigung ermittelt wird. Aufgrund der Linearität werden nur die gemessenen Werte für die beiden retan-Funktionen R1 und R2 und der Abstand x2 - x1 der beiden Sensorelemente, der durch den Aufbau des Positionssensors bekannt ist, zur Kalibrierung verwendet. Das Ziel muss zur Selbstkalibrierung nur einen kurzen Weg innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors zurücklegen oder kann sogar stillstehen.This means that a self-calibration can be carried out using just two sensor elements to determine a value for the gradient. Due to the linearity, only the measured values for the two retan functions R 1 and R 2 and the distance x 2 - x 1 of the two sensor elements, which is known from the structure of the position sensor, are used for calibration. To self-calibrate, the target only needs to travel a short distance within the sensor's detection range or can even stand still.
Generell kann der lineare magnetische Positionssensor eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweisen und das erfindungsgemäße Verfahren kann auf die Mehrzahl von Sensorelementen ausgeweitet werden.In general, the linear magnetic position sensor can have a plurality of sensor elements and the method according to the invention can be extended to the plurality of sensor elements.
In der Praxis können bei mehreren Sensorelementen Abweichungen in der idealen Struktur des linearen magnetischen Positionssensors und/oder der Orientierung des Magnetfelds bezüglich der Sensorelemente auftreten. Diese rühren beispielsweise von Fehlausrichtungen, Versätzen und/oder Mess-/Auswertungsfehlern der Sensorelemente her. Infolgedessen kann die Charakteristik der retan-Funktion von der linearen Abhängigkeit der Position abweichen. Als Resultat hängt die bei der Selbstkalibrierung berechnete Differenz der Werte der retan-Funktion von der gegenwärtigen Position des Ziels ab. Vor allem, wenn das Ziel sich in weiter Entfernung von den Sensorelementen befindet und dadurch das Magnetfeld des Ziels vergleichbar mit beispielsweise einem Hintergrundmagnetismus oder einem Versatz wird, oder wenn kleine Ausrichtungsfehler von der idealen Achse der Sensorelemente oder der radialen Orientierung zu Fehlern in der Linearität führen, können irrelevante Werte auftreten, sowohl für die retan-Funktion als auch für die daraus berechnete relative Position. Als weiteres Resultat können die mehreren Sensorelemente mehrdeutige Ergebnisse für die Position des Ziels liefern.In practice, with multiple sensor elements, deviations in the ideal structure of the linear magnetic position sensor and/or the orientation of the magnetic field with respect to the sensor elements can occur. These arise, for example, from misalignments, offsets and/or measurement/evaluation errors of the sensor elements. As a result, the characteristic of the retan function may deviate from the linear dependence of the position. As a result, the difference in retan function values calculated during self-calibration depends on the current position of the target. Especially when the target is located at a great distance from the sensor elements and this makes the target's magnetic field comparable to, for example, background magnetism or an offset, or when small alignment errors from the ideal axis of the sensor elements or the radial orientation lead to errors in linearity , irrelevant values may occur, both for the retan function and for the relative position calculated from it. As a further result, the multiple sensor elements may provide ambiguous results for the location of the target.
Bei drei oder mehr Sensorelementen kann daher vorgesehen sein, bei der Selbstkalibrierung zwei berechnete Steigungen der linearen Funktionen für die zumindest drei Sensorelemente paarweise - also für jeweils zwei der Sensorelemente - miteinander zu fusionieren, um eine generelle Steigung zu ermitteln. Vorzugsweise kann zur Fusion der Steigungen ein gewichtetes arithmetisches Mittel der paarweise berechneten Steigungen berechnet werden. Die Gewichtungen können arithmetisch aus Werten ermittelt werden, die für das Signal-Rausch-Verhältnis oder für das Signal-Offset-Verhältnis relevant sind, beispielsweise der Betrag der Magnetfeldvektoren, die von den paarweise mitwirkenden Sensorelementen gemessen werden. Dabei können auch Werte für die Steigung, die in unzuverlässigen Messsituationen erhalten wurden, beispielsweise, wenn sich das Ziel am Rande der Erfassungsbereiche der Sensorelemente befindet, bei der Fusion unterdrückt oder ausgeschlossen werden.In the case of three or more sensor elements, it can therefore be provided that, during self-calibration, two calculated slopes of the linear functions for the at least three sensor elements are merged with one another in pairs - i.e. for two of the sensor elements each - in order to determine a general slope. Preferably, a weighted arithmetic mean can be used to fuse the slopes slopes calculated in pairs can be calculated. The weightings can be determined arithmetically from values that are relevant for the signal-to-noise ratio or for the signal-offset ratio, for example the magnitude of the magnetic field vectors that are measured by the sensor elements working in pairs. Values for the slope that were obtained in unreliable measurement situations, for example when the target is on the edge of the detection ranges of the sensor elements, can also be suppressed or excluded during fusion.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die berechneten Werte der Steigung für die mehreren Sensorelemente miteinander zu vergleichen. Bei dem Vergleich können widersprüchliche Werte, die nicht zu den anderen Werten passen, erkannt und ausgeschlossen werden. Zudem kann für die jeweilige Anwendung ein Bereich - auch in Abhängigkeit von den berechneten Steigungswerten - vorgegeben werden und geprüft werden, ob die Werte innerhalb dieses Bereichs liegen. Werte außerhalb dieses Bereichs können dann ausgeschlossen werden.Alternatively or additionally, provision can be made to compare the calculated values of the slope for the plurality of sensor elements with one another. During the comparison, contradictory values that do not fit with the other values can be identified and excluded. In addition, a range can be specified for the respective application - also depending on the calculated gradient values - and it can be checked whether the values lie within this range. Values outside this range can then be excluded.
Es kann auch ein Lernprozess durchgeführt werden, bei dem die Positionen des Ziels variiert werden und mehrere Werte der Steigung der linearen Funktion für unterschiedliche Positionen des Ziels berechnet werden. Schließlich werden die berechneten Werte gemittelt und der gemittelte Steigungswert für die später durchgeführte Erfassung der Position des Ziels verwendet.A learning process can also be performed in which the positions of the target are varied and multiple values of the slope of the linear function are calculated for different positions of the target. Finally, the calculated values are averaged and the averaged slope value is used for the later detection of the position of the target.
Ist ein solcher Lernprozess vorgesehen, wird optional die berechnete Steigung aktualisiert. Nachdem im Lernprozess initial ein Steigungswert ermittelt wurde, können die bei der Erfassung der Position des Ziels gemessenen Werte ebenso entsprechend der oben beschriebenen Selbstkalibrierung verwendet werden, um den Steigungswert zu aktualisieren.If such a learning process is planned, the calculated gradient is optionally updated. After a slope value has initially been determined in the learning process, the values measured when detecting the position of the target can also be used according to the self-calibration described above to update the slope value.
Die Erfindung betrifft zudem einen linearen magnetischen Positionssensor, der zumindest zwei Sensorelemente umfasst. Die Sensorelemente sind eingerichtet, den Magnetfeldvektor des Ziels zu messen. Erfindungsgemäß ist der lineare magnetische Positionssensor eingerichtet, das vorstehende Verfahren auszuführen. Hierfür kann der lineare magnetische Positionssensor ein dafür eingerichtetes Rechengerät aufweisen oder mit einem dafür eingerichteten Rechengerät verbunden werden. Es wird auf vorstehende Beschreibung und Vorteile verwiesen.The invention also relates to a linear magnetic position sensor which comprises at least two sensor elements. The sensor elements are set up to measure the magnetic field vector of the target. According to the invention, the linear magnetic position sensor is set up to carry out the above method. For this purpose, the linear magnetic position sensor can have a computing device set up for this purpose or can be connected to a computing device set up for this purpose. Reference is made to the above description and advantages.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein Ortdiagramm von zwei Sensorelementen eines erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionssensors und eines zu messenden Ziels. -
2 zeigt Diagramme der Komponenten des magnetischen Felds (a), des Vektorwinkels des Magnetfeldvektors (b) und der retan-Funktion (c) bezüglich der Position des Ziels, jeweils für vier unterschiedliche Orientierungen des magnetischen Dipols des Ziels. -
3 zeigt ein Diagramm der retan-Funktion bezüglich der Position für die zwei Sensorelemente des erfindungsgemäßen linearen magnetischen Positionssensors bei der Selbstkalibrierung. -
4 und5 zeigen jeweils Diagramme der Komponenten des magnetischen Felds (a), des Vektorwinkels des Magnetfeldvektors (b) und der retan-Funktion (c) und einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfassten Position sowie eines Fehlers (d) bezüglich der Position des Ziels für zwei unterschiedliche Anwendungsfälle.
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1 shows a location diagram of two sensor elements of a linear magnetic position sensor according to the invention and a target to be measured. -
2 shows diagrams of the components of the magnetic field (a), the vector angle of the magnetic field vector (b) and the retan function (c) with respect to the position of the target, each for four different orientations of the target magnetic dipole. -
3 shows a diagram of the retan function with respect to the position for the two sensor elements of the linear magnetic position sensor according to the invention during self-calibration. -
4 and5 each show diagrams of the components of the magnetic field (a), the vector angle of the magnetic field vector (b) and the retan function (c) and a position detected using the method according to the invention as well as an error (d) with respect to the position of the target for two different applications .
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Des Weiteren ist ein Ziel T, dessen Position erfasst werden soll, gezeigt. Das Ziel T bewegt sich entlang eines Pfads P auf einer Geraden, die parallel zur x-Achse und somit zur Geraden, auf der die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind, verläuft und in Richtung der z-Achse um den Abstand z0 beabstandet ist. Zudem ist der Ortsvektor r des Ziels T gezeigt. Der Ortsvektor r schließt mit der x-Achse einen Winkel α ein. Das Ziel ist in diesem Fall selbst ein Magnet, der als Dipol genähert wird und ein magnetisches Dipolmoment M aufweist. Das magnetische Dipolmoment M zeigt in diesem Beispiel in Richtung des Bewegungspfads P des Ziels T und entgegen der x-Achse. Eine solche Orientierung wird als axiale Anordnung bezeichnet und vorliegend mit dem Buchstaben A gekennzeichnet. In der Praxis wird das Ziel typischerweise so angeordnet, dass die folgenden Orientierungen des magnetische Dipolmoments M verwendet werden. Nachfolgend ist eine Liste der Orientierung des Dipolmoments M im (x,z)-Raum, die vorliegend zur Kennzeichnung verwendeten Buchstaben A, B, C und D und einer später im Detail beschriebenen Größe φ+ gegeben: Axiale Anordnung:
Für die in
Mit den folgenden Substitutionen:
Für den Fall der axialen Anordnung A, kann der Vektor bA wie folgt beschrieben werden:
Unter Verwendung von
Da die beiden Vektoren B und b in dieselbe Richtung zeigen, weisen sie denselben Vektorwinkel αB auf. Dieser Vektorwinkel αB ist näherungsweise - wenn der Term -1/2 in Formel 3 vernachlässigt wird - das Doppelte des Ortsvektor-Winkels α. Der Vektorwinkel αB dieser Vektoren kann über die Formel 2 berechnet werden:
Die vorstehende Berechnung kann auch für die anderen Fälle B, C, D mit unterschiedlicher Orientierung durchgeführt werden.The above calculation can also be carried out for the other cases B, C, D with different orientation.
In
Der Vektorwinkels αB wurde mittels Formel 2 aus den Komponenten des Magnetfeldvektors in x-Richtung Bx und in z-Richtung Bz berechnet.The vector angle α B was calculated using
Im Diagramm 2a und 2b ist die horizontale Skalierung der Magnetfeldkomponenten Bx, Bz, |B| und des Vektorwinkels αB abhängig von dem Abstand z0 zwischen dem Zentrum des Ziels T und der Geraden, auf dem die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind. Die vertikale Skalierung der Magnetfeldkomponenten Bx, Bz, |B| ist abhängig sowohl von dem genannten Abstand z0 als auch von der Stärke des Magnetfelds - also dem Betrag des magnetischen Dipolmoments |M|.In diagrams 2a and 2b the horizontal scaling of the magnetic field components is B x , B z , |B| and the vector angle α B depending on the distance z 0 between the center of the target T and the straight line on which the sensor elements E 1 , E 2 are arranged. The vertical scaling of the magnetic field components B x , B z , |B| is dependent on both the stated distance z 0 and the Strength of the magnetic field - i.e. the magnitude of the magnetic dipole moment |M|.
Der Winkel α des Ortvektors r kann näherungsweise - wenn man den additiven Term -1/2 in Formel 3 außer Acht lässt - durch folgende Formel 13 ausgedrückt werden:
Der Tangens des Ortsvektor-Winkels α multipliziert mit dem Abstand z0 gibt die tatsächliche Position des Ziels T an. Da der Wert des Abstands z0 nicht bekannt ist, wird nur die Berechnung des Tangens des Ortsvektor-Winkels α durchgeführt, wobei der Ortsvektor-Winkels α näherungsweise die Hälfte des Vektorwinkels αB des Magnetfeldvektors B ist. Dies wird durch die „retan“-Funktion erreicht.The tangent of the location vector angle α multiplied by the distance z 0 gives the actual position of the target T. Since the value of the distance z 0 is not known, only the calculation of the tangent of the location vector angle α is carried out, where the location vector angle α is approximately half of the vector angle α B of the magnetic field vector B. This is achieved by the “retan” function.
Die retan-Funktion in
Im Diagramm von
Für den Fall A, bei dem das magnetische Dipolmoment M entgegen der x-Achse zeigt, durchläuft der Graph des Vektorwinkels αB den Ursprung des Diagramms in
Da die arctan2-Funktion Werte im Bereich von (-π,π] annehmen kann, werden die Graphen des Vektorwinkels αB zusätzlich mit gepunkteten Linien dargestellt und weisen Unstetigkeiten auf. Diese Unstetigkeiten können gegebenenfalls durch Addition von 2π aufgelöst werden. Aufgrund der periodischen Natur der Tangens-Funktion führt dies nach Division durch 2 zum gleichen Ergebnis.Since the arctan2 function can assume values in the range of (-π,π], the graphs of the vector angle α B are additionally shown with dotted lines and show discontinuities. These discontinuities can, if necessary, be resolved by adding 2π. Due to the periodic nature The tangent function leads to the same result after division by 2.
Es ist ersichtlich, dass der die retan-Funktion retan in
Die Graphen der retan-Funktion retan sind in den Fällen A und B - also in axialer Anordnung - identisch. Ebenso sind die Graphen der retan-Funktion retan in den Fällen C und D - also in radialer Anordnung - identisch. Ferner ist die Steigung der retan-Funktion in den Fällen A und B bei axialer Anordnung stets halb so groß wie die Steigung in den Fällen C und D bei radialer Anordnung.The graphs of the retan function retan are identical in cases A and B - i.e. in an axial arrangement. Likewise, the graphs of the retan function retan are identical in cases C and D - i.e. in a radial arrangement. Furthermore, the slope of the retan function in cases A and B with an axial arrangement is always half as large as the slope in cases C and D with a radial arrangement.
Die beiden Sensorelemente E1 und E2 weisen aufgrund der in
Die Steigung m der linearen Funktion für die retan-Funktion hängt wie vorstehend beschrieben vom Abstand z0 zwischen dem Zentrum des Ziels T und der Geraden, auf der die Sensorelemente E1, E2 angeordnet sind, ab. Dieser Abstand z0 ist allerdings im Allgemeinen nicht bekannt. Es wird daher eine Kalibrierung des Positionssensors durchgeführt. The slope m of the linear function for the retan function depends, as described above, on the distance z 0 between the center of the target T and the straight line on which the sensor elements E 1 , E 2 are arranged. However, this distance z 0 is generally not known. The position sensor is therefore calibrated.
Der Positionssensor führt eine Selbstkalibrierung, wie nachfolgend anhand der
Für die Messung der der Komponenten des Magnetfeldvektors Bx, Bz, |B| und die Berechnung des Vektorwinkels αB sowie die Berechnung der retan-Funktion retan wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen. Für die retan-Funktion wurde die Steigung m jeweils bei einer Position xT des Ziels T bei 34 mm eingelernt. Dabei wurde jedes Sensorelement je ein Steigungswert ermittelt und die Steigungswerte nach dem vom jeweiligen mitwirkenden Sensorelement gemessenen Betrag des Magnetfeldvektors gewichtet. Im Beispiel aus
Es ist ersichtlich, dass trotz Fehler durch den Versatz bezüglich des Nullpunkts der Sensorelemente, dem nichtidealen Charakter der Magnetfeldstruktur, wie z. B. einer kleinskalierten Rotation des Magneten im Beispiel aus
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DE102016124952A1 (en) | 2016-12-20 | 2018-06-21 | Infineon Technologies Ag | Magnetic angle detection system and operating method |
DE102018203884A1 (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Festo Ag & Co. Kg | Position determining device and method for determining a position |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016102978A1 (en) | 2016-02-19 | 2017-08-24 | Infineon Technologies Ag | Magnetic position sensor |
DE102016124952A1 (en) | 2016-12-20 | 2018-06-21 | Infineon Technologies Ag | Magnetic angle detection system and operating method |
DE102018203884A1 (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Festo Ag & Co. Kg | Position determining device and method for determining a position |
DE102020134217A1 (en) | 2020-12-18 | 2022-06-23 | Balluff Gmbh | Inductive sensor device for determining a longitudinal position of a movable object along a sensitive axis of the sensor device and method for operating such a sensor device |
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