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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines
Drehantriebs gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 42 33 549 A1 ist eine
Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und der Drehrichtung eines
Drehantriebes unter Verwendung eines mit dem Drehantrieb drehfest
verbundenen signalgebenden oder signalverändernden Elements, eines Sensors sowie
einer elektronischen Auswerteeinheit, insbesondere für Fensterheber
und Schiebedächer
in Kraftfahrzeugen, bekannt. Um die Drehzahl und Drehrichtung des
Drehantriebs bei hoher Auflösung der
Drehzahl und Drehrichtung mit einer Sensoreinrichtung zu erfassen,
wird bei der Rotation des signalverändernden Elements die magnetische
Flussdichte in einem magnetischen Kreis periodisch verändert, wobei
die Änderung
der magnetischen Flussdichte drehrichtungscodiert ist.
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Zur Erfassung der sich periodisch
verändernden
magnetischen Flussdichte in einem magnetischen Kreis werden unter
anderem Hallsensoren als magnetfeldempfindliche Elemente eingesetzt,
bei denen die Größe und Richtung
der abgegebenen Hallspannung von dem einwirkenden Magnetfeld abhängig ist.
Ein derartiger Hallsensor arbeitet grundsätzlich als bistabiler Schalter,
der an seinem Ausgang ein positives Ausgangssignal abgibt, wenn
er von einem Magnetfeld in einer vorgegebenen Richtung durchsetzt
wird. Dieses Signal bleibt solange erhalten, bis der Hallsensor
von einem entgegengerichteten Magnetfeld durchsetzt wird und somit
an seinem Ausgang ein Nullsignal entsteht. Derartige Hallsensoren
werden in integrierten Schaltkreisen vorgesehen, in denen zur Signalformung
zusätzlich Verstärker, Trigger
und dergleichen enthalten sind.
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Es ist bekannt, die Drehzahl und
die Drehrichtung eines Drehantriebes mittels zweier um 90° zueinander
versetzter Hallsensoren zu ermitteln, indem zentrisch auf der Drehantriebsachse
ein mit dieser drehfest verbundener NS-magnetisierter Ringmagnet
angeordnet wird. Bei der Rotation des Ringmagneten werden die beiden
seitlich des Ringmagneten angeordneten Hallsensoren jeweils von
einem veränderlichen
Magnetfeld durchsetzt und die an den beiden Sensoren dabei auftretenden
Magnetfeldänderungen
mittels Schmitt-Trigger in zwei um 90° zueinander versetzte binäre Impulsfolgen
umgesetzt. Durch Zählen
der Impulsanzahl pro Zeiteinheit kann die Drehzahl und durch Vergleich
der beiden Impulsfolgen die Drehrichtung des Drehantriebs bestimmt werden.
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Vorrichtungen zur Erfassung der Drehzahl und/oder
Drehrichtung von Drehantrieben der vorstehend genannten Art werden
unter anderem in Einklemmschutzvorrichtungen eingesetzt, um bei
einer Drehzahländerung
eines Drehantriebs, der ein eine Öffnung verschließendes Bauteil
antreibt, auf das Einklemmen eines Fremdkörpers zu schließen und durch
unverzügliches
Anhalten oder Reversieren des Drehantriebs eine Beschädigung oder
Verletzung zu verhindern. Für
derartige Einklemmschutzvorrichtungen ist eine schnelle und exakte
Erfassung von Drehzahländerungen
sowie gegebenenfalls zum Erkennen einer Öffnungs- oder Schließbewegung
des bewegten Bauteils auch der Drehrichtung unabdingbar.
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Der Vorteil einer hohen Signalqualität und der
daraus resultierenden hohen Betriebssicherheit eines derartigen
Erfassungssystems mit Hallsensoren steht der Nachteil erheblicher
Kosten für
die Hallsensoren entgegen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und/oder Drehrichtung
des Drehantriebs der eingangs genannten Art anzugeben, die mit minimalem Aufwand
für die
Drehzahl- und/oder Drehrichtungssensoren Sensorsignale hoher Signalqualität abgibt, deren
Auswertung eine hohe Betriebssicherheit des Drehantriebs gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung schafft bei minimalem
Aufwand für
einen magnetfeldempfindlichen Sensor eine Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung
mit Sensorsignalen, deren Signalqualität eine Auswertung mit hoher
Betriebssicherheit für
den Drehantrieb gewährleistet.
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Vorzugsweise weist der Drehantrieb
einen permanent erregten Gleichstrommotor auf, wobei der induktive
Sensor gleichzeitig als Entstör-Bauelement zur
Unterdrückung
hochfrequenter Störungen
in den Drehantrieb integriert ist, so dass das Bauelement sowohl
die Funktion eines Drehzahlimpulse erfassenden magnetfeldempfindlichen
Sensors als auch eines Entstör-Bauelements
zur Sicherung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Drehantriebs dient.
Dies schafft weitere Kostenvorteile, da wegen des ohnehin erforderlichen
Entstör-Bauelements kein
zusätzliches
Bauelement für
die Drehzahlertassung erforderlich ist und lediglich für die Drehrichtungserfassung
ein zweiter induktiver Sensor vorzusehen ist.
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Dementsprechend besteht der induktive Sensor
insbesondere aus einer Entstördrossel
bzw. einer UKW-Drossel.
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In einer speziellen Ausführungsform
ist der induktive Sensor als spiralförmige Leiterbahn ausgebildet,
die auf einem ebenen Trägerelement
angeordnet oder auf einer Fläche
des Gehäuses
des Drehantriebs aufgebracht ist. Das ebene Trägerelement besteht vorzugsweise
aus einer mit dem Gehäuse
des Drehantriebs verbundenen und/oder innerhalb des Gehäuses des
Drehantriebs angeordneten Platine.
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Die Ausbildung des induktiven Sensors
als spiralförmige
Leiterbahn auf einem ebenen Trägerelement
oder auf einer ebenen oder gewölbten
Fläche des
Gehäuses
des Drehantriebs gewährleistet
eine einfache und kostengünstige
Herstellung sowie einen äußerst geringen
Platzbedarf, so dass der induktive Sensor auch auf engem Raum und
insbe sondere in Verbindung mit dem Gehäuse des Drehantriebs bzw. des
in den Drehantrieb integrierten permanent erregten Gleichstrommotor
eingesetzt werden kann.
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Vorzugsweise wird die spiralförmige Leiterbahn
parallel zu einem mit dem Drehantrieb verbundenen, mehrpoligen Permanentmagneten
ausgerichtet wie er auch in Verbindung mit Hallsensoren eingesetzt
wird.
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Durch die parallele Ausrichtung der
spiralförmigen
Leiterbahn zum mehrpoligen, mit dem Drehantrieb verbundenen Permanentmagneten
wird die spiralförmige
Leiterbahn optimal zum Magnetfeld des Permanentmagneten ausgerichtet
und kann damit die durch den Permanentmagneten hervorgerufenen Modulationen
des Magnetfeldes mit maximaler Signalstärke erfassen und damit in ihrer
Signalqualität optimale
Drehzahl- und/oder Drehrichtungssignale gewährleisten.
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Zur Auswertung der von dem induktiven
Sensor abgegebenen Sensorsignale dient eine Auswerteinrichtung,
die einen Komparator aufweist, dessen Komparatoreingänge mit
den Anschlüssen
des induktiven Sensors verbunden sind und an dessen Komparatorausgang
ein den Spannungsabfall über den
induktiven Sensor (6) entsprechendes Sensorsignal abgegeben
wird.
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Durch eine Widerstandsbeschaltung
des Komparators und eine an den Komparatorausgang angeschlossene
Treiberstufe werden aus dem Sensorsignal Impulssignale hoher Signalgüte gebildet, deren
Frequenz zur Drehzahl des Drehantriebs proportional ist.
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Zur Schaffung einer kompakten Baueinheit wird
die Auswerteinrichtung in die Steuerelektronik des Drehantriebs
integriert.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Drehantrieb mit einem Gleichstrommotor, einem Schneckengetriebe
und einer Steuerelektronik;
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2 eine
schematische Draufsicht auf einen Teil des Drehantriebs mit einer
Sensoreinrichtung mit induktivem Sensor;
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3 eine
Schaltungsanordnung für
eine Auswerteinrichtung zum Auswerten der induktiven Sensorsignale;
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4 eine
Darstellung des Induktionsspannungsverlaufs und des von der Auswerteinrichtung abgegebenen
Ausgangssignals und
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5 einen
Vergleich zwischen den Ausgangssignalen von Hallsensoren und dem
Ausgangssignal eines induktiven Sensors.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Drehantrieb für
Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise für einen
Fensterheberantrieb. Der Drehantrieb weist einen permanent erregten Gleichstrommotor 1 mit
einem topfförmigen
Motorgehäuse 10 auf,
der als Stator Permanentmagneten 11 und einen Rotor 12 enthält, dessen
Wicklung mit einem Kommutator 14 verbunden ist, auf dessen
Lamellen die in einem Bürstenhalter 15 angeordneten Bürsten des
Kommutators gleiten.
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Die Motorwelle 13 ragt in
ein Getriebegehäuse 20 eines
Schneckengetriebes 2, wobei die verlängerte Motorwelle 13 als
Schneckenwelle 21 ausgebildet ist, die mit einem Schneckenrad 22 kämmt, das mit
der Verstelleinrichtung, beispielsweise mit einer Seiltrommel eines
Seilfensterhebers, verbunden ist.
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Eine Steuer- und Überwachungselektronik 3 ist
in einem Elektronikgehäuse 30 angeordnet,
das einstöckig
mit dem Getriebegehäuse 20 spritzgegossen
sein kann und somit ein gemeinsames Gehäuse mit dem Schneckengetriebe 2 ausbildet.
Ein Steckanschluss 31 dient sowohl zur Verbindung der Steuer-
und Überwachungselektronik 3 mit
einer übergeordneten
Steuereinheit, beispielsweise einem Türsteuergerät, sowie zur Stromversorgung
des Gleichstrommotors 1, dessen Motorgehäuse 10 an
dem Getriebegehäuse 20 angeflanscht
ist.
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Eine Sensoreinrichtung 4 dient
zur Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung des Gleichstrommotors 1 bzw.
der Motorwelle 13 und besteht aus einem mehrpoligen Permanentmagneten 5, der
kreisscheibenförmig
ausgebildet und auf der Motorwelle 13 befestigt ist. Der
Permanentmagnet 5 weist mindestens einen Nord- und Südpol auf,
kann aber zur höheren
Auflösung
der Drehzahl- und/oder Drehrichtungssignale mehrere Nord- und Südpole aufweisen.
In dem Magneffeld des Permanentmagneten 5 ist mindestens
ein induktiver Sensor 6 angeordnet, der die durch die Drehung
des Permanentmagneten 5 verursachten Modulationen des Magnetfeldes
erfasst und als Sensorsignale an eine Auswerteinrichtung 7 gemäß 3 abgibt, die vorzugsweise in
die Steuer- und Überwachungselektronik 3 integriert
ist.
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Der induktive Sensor 6 ist
parallel zum Permanentmagneten 5 ausgerichtet und damit
optimal im Magnetfeld des Permanentmagneten 5 angeordnet,
so dass eine hinreichende Induktionsspannung als Sensorsignal an
die Auswerteinrichtung 7 abgegeben wird.
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2 zeigt
in schematischer Draufsicht auf einen Teil des in 1 dargestellten Drehantriebs die bevorzugte
Anordnung und Ausbildung des induktiven Sensors 6 der Sensoreinrichtung 4.
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Der induktive Sensor 6 ist
im Bereich der Anflanschung des Motorgehäuses 10 an das Getriebegehäuse 20 und
damit entsprechend 1 im
Bereich des Kommutators 14 des Gleichstrommotors 1 angeordnet.
Der induktive Sensor 6 besteht aus einer spiralförmigen Leiterbahn 60,
deren Spiralform viereckförmig
ausgebildet ist und in der in 2 dargestellten
Ausführungsform 7 Windungen
aufweist. Die Enden der spiralförmigen
Leiterbahn sind mit Lötstützpunkten
oder Steckverbindungen 62, 63 verbunden, die über eine
Leitungsverbindung in das Elektronikgehäuse 30 führen und
dort mit der in 3 als Schaltbild
dargestellten Auswerteinrichtung 7 verbunden sind.
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Die spiralförmige Leiterbahn 60 ist
auf einer Platine 61 angeordnet, die mit einem Teil des
Gehäuses
des Drehantriebs, beispielsweise mit dem Getriebegehäuse 20 oder
dem Elektronikgehäuse 30 bei
an das Getriebegehäuse 20 angeflanschtem
Motorgehäuse 10 verbunden
oder in geeigneter Form in das Gehäuse eingesteckt wird. Die spiralförmige Leiterbahn 60 kann
aber auch unmittelbar auf einen Teil des Gehäuses des Drehantriebs im Bereich
des durch den mehrpoligen Permanentmagneten 5 modulierten
Magnetfeldes aufgetragen werden.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
einer Auswerteinrichtung 7 zur Auswertung der vom induktiven Sensor 6 abgegebenen
Sensorsignale, die dieser aufgrund der Modulationen des Magnetfeldes
durch den mehrpoligen Permanentmagneten 5 abgibt. Die Sensorsignale
sind an die Eingänge
eines Komparators 71 gelegt, dessen Ausgang mit einer Trei berstufe 72 verbunden
ist, der die verstärkten
und als Impulssignale umgeformten Sensorsignale zur weiteren Signalverarbeitung
an die Steuer- und Überwachungselektronik 3 abgibt,
die die Ansteuersignale für
den Gleichstrommotor 1 erzeugt sowie Signale mit einer übergeordneten
Steuereinrichtung austauscht. Zur Kalibrierung und Signalformung
ist der Komparator 71 mit einer Widerstandsanordnung 73 beschaltet,
die eine Anpassung der Auswerteinrichtung 7 an die vom
induktiven Sensor 6 abgegebenen Sensorsignale ermöglicht.
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4 zeigt
eine zeitliche Darstellung der Induktionsspannung am Ausgang des
induktiven Sensors 6 sowie die von der Auswerteinrichtung 7 an
den Signalausgängen 74, 75 gemäß 3 abgegebenen Ausgangssignale
bei einem einzelnen induktiven Sensor 6. Die dreieckförmige Induktionsspannung am
Ausgang des induktiven Sensors 6 wird durch das wechselnde
Magnetfeld des mehrpoligen Permanentmagneten 5 hervorgerufen
und durch den Komparator 71 in Verbindung mit der Beschattung des
Komparators 71 mit der Widerstandsanordnung 73 und
der Treiberstufe 72 in rechteckförmige Impulse umgewandelt.
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Zur zusätzlichen Erfassung der Drehrichtung des
Drehantriebs ist analog zur Anordnung einer Sensoreinrichtung mit
Hallsensoren ein zweiter induktiver Sensor vorzusehen, der in einem
vorgebbaren Winkelabstand zum ersten induktiven Sensor in dem durch
den mehrpoligen Permanentmagneten 5 modulierten Magnetfeld
angeordnet wird, so dass bei der Signalauswertung durch Erfassung
der Abfolge der Sensorsignale beider induktiver Sensoren die Drehrichtung
in an sich bekannter Weise ermittelt werden kann.
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5 zeigt
einen Vergleich zwischen den Ausgangsspannungen zweier zur Drehzahl- und Drehrichtungserfassung
eingesetzter Hallsensoren nach entsprechender Signalformung in einer
Auswerteinrichtung im Vergleich zu den aus den Sensorsignalen eines
induktiven Sensors erzeugten Ausgangssignalen der Auswerteinrichtung 7 gemäß 3.
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Die vergleichende Darstellung zeigt,
dass die Signalqualität
der Ausgangssignale eines induktiven Sensors der Qualität der Ausgangssignale
von Hallsensoren gleichwertig ist und daher bei deutlich geringerem
Aufwand für
die Sensorik eine hohe Signalqualität und damit hohe Betriebssicherheit
bei der weiteren Signalverarbeitung gewährleistet ist.
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- 1
- Gleichstrommotor
- 2
- Schneckengetriebe
- 3
- Steuer-
und Überwachungselektronik
- 4
- Sensoreinrichtung
- 5
- mehrpoliger
Permanentmagnet
- 6
- induktiver
Sensor
- 7
- Auswerteinrichtung
- 10
- Motorgehäuse
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Motorwelle
- 14
- Kommutator
- 15
- Bürstenhalter
- 20
- Getriebegehäuse
- 21
- Schneckenwelle
- 22
- Schneckenrad
- 30
- Elektronikgehäuse
- 31
- Steckanschluss
- 60
- Spiralförmige Leiterbahn
- 61
- Platine
- 62,
63
- Lötstützpunkten
oder Steckverbindungen
- 71
- Komparator
- 72
- Treiberstufe
- 73
- Widerstandsanordnung
- 74,
75
- Signalausgänge der
Auswerteinrichtung