DE10314838A1

DE10314838A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Position, welche ein Magnet und ein Messort zueinander haben

Info

Publication number: DE10314838A1
Application number: DE2003114838
Authority: DE
Inventors: Martin Schaller; Wolfgang Bass
Original assignee: Robert Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-28
Also published as: EP1464918A2; EP1464918B1; EP1464918A3

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Position, welche ein Magnet 2 gegenüber einem im Magnetfeld 3 angeordneten Messort 4 aufweist, wobei der Magnet 2 oder der Messort 4 eine vorbestimmte Position bei der Messung hat und am Messort 4 in drei orthogonalen Achsen X, Y, Z die Magnetfeldstärken gemessen werden und aus der Abweichung der gemessenen Ist-Werte der Magnetfeldstärken von Referenz-Magnetfeldstärken, bei denen der Magnet 2 und der Messort 4 bestimmte Referenz(Null)-Positionen aufweisen, das die Positionsinformation enthaltende Signal gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Position, welche ein Magnet und ein Messort, welcher im Magnetfeld des Magneten liegt, zueinander haben, wobei der Magnet oder der Messort eine vorbestimmte ortsfeste Position bei der Messung einnimmt.

Aus DE 196 07 199 C2 ist es bekannt, die Winkelstellung ei- nes Magnetsensors gegenüber einem Permanentmagneten zu erfassen und ein hierzu proportionales Signal zu liefern.

Aus US 5,694,040 ist es bekannt, mit Hilfe von zwei Hall-Generatoren die Größe einer Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Sensorebene zu erfassen.

Aus US 5,304,082 B1 ist ein mehrachsiges Magnetometer zur Messung der magnetischen Feldstärke in drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) bekannt.

Aus EP 1 082 619 B1 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, mit dem in zwei aufeinander senkrechten Achsen das Magnetfeld erfasst werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein eingangs genanntes Verfahren und eine eingangs genannte Vorrichtung zu schaffen, mit denen die gegenseitige räumliche Positionierung von Magnetfeld erzeugendem Magneten und dem im Magnetfeld liegenden Messort bestimmt werden kann.

Beim Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 6 und 8 gelöst.

Bei der Erfindung wird die Magnetfeldstärke und/oder der Gradient am Messort dreidimensional, d.h. in drei orthogonalen Achsen bestimmt und aus einer Abweichung der so dreidimensional bestimmten Magnetfeldstärke und/oder dem Gradienten von einer Referenz-Magnetfeldstärke und/oder Referenz-Magnetfeldgradienten, bei welcher bzw. bei welchem der Magnet und der Messort vorbestimmte Positionen haben, der Positionsmesswert für die relative Lage von Magnet und Messort zueinander gebildet wird. Der Gradient gibt die Krümmung und Richtung des Magnetfeldes am Messort wieder.

Hierzu kann ein dreidimensional messender Sensor (3D-Sensor) verwendet werden. Falls der Gradient nur in einer Richtung bestimmt werden soll, reichen beispielsweise zwei in einer Achse, beispielsweise der X-Achse, messende Sensoren und ein weiterer in einer dazu orthogonalen Achse, beispielsweise der Z-Achse, messender Sensor aus.

Die der Position entsprechenden Signale enthalten eine Information sowohl über den räumlichen Ort (x, y, z) als auch eine Information zur Richtung bzw. Orientierung gegenüber den drei Raumachsen (X, Y, Z).

Vorzugsweise werden wenigstens zwei, insbesondere vier Magnetfeldsensoren vorgesehen, von denen jeder Magnetfeldsensor die Magnetfeldstärke dreidimensional, d.h. in den drei orthogonalen X-, Y-, Z-Achsen misst.

In einer an die Magnetfeldsensoren angeschlossenen Auswerteeinrichtung, welche bevorzugt als elektronische rechnergestützte Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, wird aus wenigstens zwei Sensorsignalen der Differenzenquotient der Feldstärke des Magnetfeldes gebildet und aus der Abweichung dieses Differentenquotienten von einem Referenz-Differertenquotienten, bei welchem der Magnet und der Messort vorbestimmte Positionen einnehmen, der Positionsmesswert für die relative Lage von Magnet und Messort zueinander bestimmt. Die partiellen den jeweiligen orthogonalen Achsen in X-, Y- und Z-Richtung zugeordneten Differenzquotienten ergeben der. Gradienten des räumlich ausgedehnten Magnetfeldes am jeweiligen Messort.

Der Magnet, welcher das Magnetfeld erzeugt, kann als Permanentmagnet oder als Elektromagnet ausgebildet sein.

Bei Verwendung eines Elektromagneten kann ein moduliertes Magnetfeld erzeugt werden, wobei zur Bestimmung der relativen Position von Magnet zu Messort die am Messort gemessene Stärke und Richtung der Modulation ausgewertet werden.

Beim Messvorgang ist entweder der Magnet oder der Messort an einer vorbestimmten bekannten ortsfesten Position angeordnet. Es können somit Drehbewegungen und Translationsbewegungen sowie Kombinationen dieser Bewegungsarten und die jeweilige Ist-Position des bewegten Bauteils, insbesondere Bedienelementes, mit dem der Magnet oder Messort fest verbunden ist, in drei orthogonalen Koordinaten erfasst werden.

Vorzugsweise können an zwei oder mehr, insbesondere vier bekannten bzw. bestimmten Messstellen mit dreidimensional messenden Magnetsensoren der Gradient des Magnetfeldes bzw. die Magnetfeldstärken am Messort in den drei orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen bestimmt werden. Zur Vereinfachung der Auswertung der Sensorsignale können die Magnetsensoren auf einem Kreisumfang um einen den Messort bildenden Mittelpunkt angeordnet sein.

Vorzugsweise werden zur Bestimmung des Positionsmesswertes die an wenigstens zwei Messstellen vorhandenen Magnetfeldstärken mit Magnetsensoren bestimmt und aus der Abweichung von den zugeordneten Referenz-Magnetfeldstärken der Positionsmesswert bestimmt. Vorzugsweise werden die Magnetfeldstärken zweier Messstellenpaare (Magnetsensorpaare), die um einen gemeinsamen Mittelpunkt als Messort angeordnet sind, für die Bestimmung des Positionsmesswertes ausgewertet. Bei der Auswertung des ermittelten Magnetfeldgradienten erreicht man eine von Fremd- oder Störfeldern unbeeinflusste Messung, da diese im wesentlichen am Messort geradlinig verlaufende Feldlinien aufweisen.

Das Verfahren und die Vorrichtung werden vorzugsweise beim berührungslosen Generieren von Stellsignalen oder Steuersignalen bei Bedienelementen, beispielsweise Schaltern und dergleichen, zum Einsatz gebracht. Auf diese Weise erreicht man eine kontaktfreie und verschleißarme Bildung von Stellsignalen oder Steuersignalen. Dabei können die Stellelemente oder Bedienelemente zur Erzeugung der Stellsignale oder Steuersignale fest mit den Magneten bei ortsfestem Messort oder fest mit dem Messort bei ortsfestem Magneten dreidimensional bewegt werden. Die von der Auswerteeinrichtung erzeugten Positionsmesssignale bilden dann die Stellsignale oder Steuersignale für die zu bedienenden Einrichtungen.

Anhand die Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Messanordnung, welche beim Ausführungsbeispiel der 1 zur Anwendung kommt; und
3 den teilweisen Verlauf einer Magnetfeldlinie mit zwei Messpunkten und zugehörigen Vektoren zur Erläuterung der Erfindung.
Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an einem Bedienelement, beispielsweise in Form eines zweiarmigen Hebels am Ende eines Hebelarmes ein Magnet 2 befestigt. Der Magnet 2, welcher ein Permanentmagnet oder Elektromagnet sein kann, bildet ein Magnetfeld 3 mit einer bestimmten Feldlinienrichtung. Die Richtung der Feldstärke stimmt in jedem Punkt des Feldes mit der Richtung der Feldlinien überein.
Im Magnetfeld ist ein Messort 4 ortsfest angeordnet. Der Messort 4 kann von vier 3-dimensional messenden Magnetfeldsensoren 5, 6, 7, 8 (2) gebildet werden. Die Magnetfeldsensoren 5, 6, 7 und 8 sind auf einem Kreisumfang um den Messort 4, welcher den Mittelpunkt des Kreisumfanges bildet, angeordnet.
Jeder der vier Magnetfeldsensoren misst entlang dreier orthogonaler Achsen (X, Y, Z) die magnetische Feldstärke. Dreidimensional messende Magnetfeldsensoren sind bekannt (z.B. US 6,304,082 B1 ). Mit dem Bedienelement 1 kann der Magnet 2 in allen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden bewegt werden. Das Bedienelement 1 kann beispielsweise ein Joy-Stick oder ein anderes Betätigungselement oder Stellelement sein. Vorzugsweise erfolgt die Bewe gung des Magneten um einen Schwenkpunkt 13 in allen Raumrichtungen, wobei der Schwenkpunkt 13 gegebenenfalls in axialer Richtung des Bedienelementes 1 oder in einer oder mehreren bestimmten Richtungen in einer Ebene senkrecht dazu verschoben werden kann.
Die Bewegung des Magneten 2 und dessen jeweilige Position gegenüber dem ortsfesten Messort 4 wird mit Hilfe wenigstens eines der Magnetfeldsensoren, insbesondere zwei Magnetfeldsensoren, bei denen der Messort 4 in der Mitte dazwischenliegt, oder durch zwei Paare der Magnetfeldsensoren mit jeweiliger Mitte am Messort 4, wie im folgenden erläutert wird, erfasst.
Die Magnetfeldsensoren 5, 6, 7, 8 sind an eine Auswerteeinrichtung 9 angeschlossen, wobei die Komponenten der Auswerteeinrichtung 9 und die Magnetfeldsensoren vorzugsweise auf einem Chip als integrierte Schaltung, z.B. ASIC vorgesehen sind.
Die Auswerteeinrichtung 9, welche vorzugsweise als elektronische Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, beinhaltet einen an die Magnetfeldsensoren 5, 6, 7, 8 angeschlossenen Istwert-Bildner 10. Dieser bildet aus den von den Magnetfeldsensoren erhaltenen Signalen die Ist-Werte der Magnetfeldstärke in drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) für jeden der Magnetfeldsensoren 5, 6, 7 und 8. Diese ist-Werte werden mit Referenzwerten der Magnetfeldstärken in den jeweiligen X-, Y- und Z-Achsen verglichen. Die Referenzfeldstärken sind in einem Referenzspeicher 11 gespeichert. Die Referenzfeldstärken können auch aus einem mathematischen Modell bestimmt werden. Die Referenzfeldstärken sind die Feldstärken an den Orten der Magnetfeldsensoren 5, 6, 7 und 8, wenn das Magnetfeld 3 und damit der Magnet 2 sowie das Bedienelement 1 sich in einer Referenz(Null)-Position befindet. Wenn bei Betätigung des Bedienelementes 1 der Magnet 2 aus dieser Referenz(Null)-Position bewegt wird, ändern sich die von den Magnetfeldsensoren dreidimensional gemessenen Feldstärken. Diese Feldstärken werden, wie schon erwähnt, als Ist-Feldstärken vom Istwert-Bildner erfasst und mit den im Referenzspeicher 11 gespeicherten Referenzfeldstärken in einem Vergleicher 12 verglichen.
Die im Vergleicher 12 festgestellte Abweichung der Ist-Werte der Magnetfeldstärken von den Referenz-Magnetfeldstärken sind ein Mass für die Positionsabweichung des Magneten 2 aus der Referenz(Null)-Position. Diese Abweichung gibt ferner die genaue Ist-Position des Magneten 2 und damit des Bedienelementes 1 an. Für diese Positionsbestimmung können die Magnetfeldstärken in den drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) eines einzelnen Magnetfeldsensors oder von mehreren der vier Magnetfeldsensoren erfasst und ausgewertet werden.
Ferner können die Feldstärkemesssignale zweier Magnetfeldsensoren zur Bestimmung eines Gradienten des Magnetfeldes 3 ausgewertet werden. Hierzu wird in einem Differentiator 14 der Differentenquotient, welcher ein Mass für die Krümmung und Richtung des Magnetfeldes am Messort 4 ist, gebildet. Hierzu werden die Messsignale von wenigstens zwei diametral zum Messort 4 liegenden Magnetfeldsensoren verwendet. Beispielsweise werden die Messsignale der beiden Magnetfeldsensoren 5 und 8 oder der beiden Magnetfeldsensoren 5 und 7 verwendet. Es ist jedoch auch möglich, die Messsignale der beiden Sensorpaare 5, 8 und 6, 7 auszuwerten und den Gradienten (Richtung und Krümmung) des Magnetfeldes mit der jeweiligen Feldstärke B₅ _, ₆ _, _7,8 (X, Y, Z) in den drei orthogonalen Achsen an den Messstellen (x, y, z)_5,6,7,8, an denen die in den drei orthogonalen Achsen messenden Magnetfeldsen soren 5, 6, 78, 8 liegen, für den in der Mitte dieser Sensorpaare liegenden Messort 4 zu erhalten. In den drei orthogonalen Achsen ergibt sich der Gradient aus den entsprechenden partiellen Differentenquotienten nach folgender allgemeiner Beziehung:
Diese Ist-Werte für den Gradienten werden mit einem Referenzgradienten, der in einem Referenzgradientenspeicher 15 gespeichert ist, verglichen. Der Referenzgradient im Speicher 15 entspricht dem Referenzgradienten, der am Messort 4 mittels der Magnetfeldsensoren 5, 6, 7 und 8 bei einer Ausgangsposition (Referenz- bzw. Null-Position) des Bedienelementes 1 und des Magneten 2 ermittelt wurde. In einem Vergleicher 16 wird die Abweichung des Ist-Wertes des Magnetfeldgradienten vom Referenzwert des Magnetfeldgradienten ermittelt, wobei die Abweichung in den drei orthogonalen Achsen ein Maß für die räumliche Position des Magneten 2 und damit des Bedienelementes 1 ist.
Bei einer Veränderung der Position des Bedienelementes 1 und damit des Magnetfeldes 3 ändern sich die Messwerte sowohl für die Feldstärken, welche im Istwert-Bildner 10 erfasst werden, als auch für den Gradienten, welcher im Gradientenbildner 14 erfasst wird, in den drei orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen. Bei der in 1 dargestellten Positionierung wird an dem mit 3₁ bezeichneten Magnetfeldbereich am ortsfesten Messort 4 gemessen.
Bei einer Veränderung der Position des Bedienelementes 1 und damit des Magnetfeldes 3 gelangt beispielsweise der mit 3₂ bezeichnete Magnetfeldbereich an den ortsfesten Messort 4.
Die Richtungen des Magnetfeldes sind schematisch, d.h. lediglich in der Zeichenebene, mit tangential zu den Feldlinien verlaufenden Pfeilen gekennzeichnet.
Bei der Erläuterung des Ausführungsbeispiels der 1 wird der Magnet 2 vom Bedienelement 1 bewegt. Es ist jedoch auch möglich, den Magneten 2 ortsfest anzuordnen und den Messort 4, insbesondere den Chip, auf welchem sich die dreidimensional messenden Magnetfeldsensoren 5, 6, 7 und 8 befinden, durch das Bedienelement 1 im Magnetfeld 3 zu bewegen.
Die Signale der Vergleicher 12 und/oder 16, welche proportional der jeweiligen relativen Positionierung von Messort 4 und Magnet 2 bzw. Bedienelement 1 sind, werden an eine Steuereinrichtung 17 weitergeleitet, durch welche in Abhängigkeit von diesen Positionssignalen, die Steuerung einer nicht näher dargestellten Einrichtung erfolgt. Die beschriebene Erfindung eignet sich zur Steuerung physikalischer Größen in allen Bereichen der Technik.
Bei der Auswertung des Magnetfeldgradienten in den drei orthogonalen Achsen ergibt sich noch der Vorteil, dass äußere Störfelder, deren Feldlinien im wesentlichen geradlinig verlaufen, keinen Einfluss auf die aus den Magnetfeldgradienten abgeleiteten Positionssignalen haben. Auf diese Weise erreicht man eine Unterdrückung von magnetischen Fremdfeldern bzw. Störfeldern.
Wenn der Magnet 2 als Elektromagnet ausgebildet ist, kann ein moduliertes Magnetfeld 3 erzeugt werden. Aus der am Messort gemessenen Stärke und Richtung der Modulation oder der Änderung der Modulation der (emessenen Ist-Werte der Magnetfeldstärken in den drei orthogonalen Achsen gegenüber der entsprechenden Referenzmodulation kann ebenfalls ein der Position des Magnetfeldes bzw. des Magneten 1 gegenüber dem Messort 4 entsprechendes Positionssignal gebildet werden.
Bei Anwendung der Erfindung in einem Elektromotor kann mit Hilfe der dreidimensionalen Messung der Magnetfeldstärke die Rotorposition im Elektromotor kontinuierlich bestimmt werden. Ferner kann die Position von durch Elektromagnete bewegte Teile in Relais, Öffnern und dergleichen bestimmt werden.

1: Bedienelement
2: Magnet
3: Magnetfeld
4: Messort
5: 3D-Magnetfeldsensoren
6: 3D-Magnetfeldsensoren
7: 3D-Magnetfeldsensoren
8: 3D-Magnetfeldsensoren
9: Auswerteeinrichtung
10: Istwert-Bildner
11: Referenzspeicher
12: Vergleicher
13: Schwenkpunkt
14: Gradientbildner
15: Referenzgradientenspeicher
16: Gradientenvergleicher
17: Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zur Messung der Position, welche ein Magnet gegenüber einem im Magnetfeld des Magneten angeordneten Messort aufweist, wobei der Magnet oder der Messort eine vorbestimmte Position bei der Messung hat, dadurch gekennzeichnet, dass am Messort in drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) die Magnetfeldstärken gemessen werden und Abweichungen der gemessenen Ist-Werte der Magnetfeldstärken von Referenz-Magnetfeldstärker in den drei orthogonalen Achsen, bei denen der Magnet und der Messort bestimmte Referenz(Null)-Positionen aufweisen, ein der Position entsprechendes Signal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Feldstärkemessung am Messort der Gradient (Krümmung und Richtung) des Magnetfeldes bestimmt und die Abweichung von einem Referenz-Magnetfeldgradienten, bei dem der Magnet und der Messort bestimmte Referenz(Null)-Positionen aufweisen, bestimmt wird und aus der Abweichung ein der relativen Position zwischen Magnet und Messort entsprechendes Signal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Messort an wenigstens zwei Messstellen die Magnetfeldstärken jeweils in den drei orthogonalen Achsen gemessen wird, wobei der Messort in der Mitte zwischen den beiden Messstellen liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Messort an zwei Messstellenpaare die Magnetfeldstärke jeweils in den drei orthogonalen Achsen gemessen wird, wobei der Messort in der gemeinsamen Mitte der Messstellenpaare liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von einem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld moduliert wird und aus der am Messort gemessenen Stärke und Richtung der Modulation die Positionsbestimmung abgeleitet wird.
Vorrichtung zur Messung der Position, welche ein Magnet gegenüber einem im Magnetfeld des Magneten vorgesehenen Messort aufweist, wobei der Magnet oder der Messort eine vorbestimmte Position bei der Messung hat, dadurch gekennzeichnet, dass am Messort (4) wenigstens zwei die Magnetfeldstärke in drei orthogonalen Achsen (X, Y, Z) messende Magnetsensoren (5, 6, 7, 8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsensoren (5, 6, 7, 8) auf einem Kreisumfang liegen, dessen Mittelpunkt der Messort (4) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch (ekennzeichnet, dass zwei Paare von Magnetsensoren (5, 6, 7, 8) im Bereich des Messortes (4) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Messung der Position, welche ein Magnet gegenüber einem im Magnetfeld des Magneten vorgesehenen Messort aufweist, wobei der Magnet oder der Messort eine vorbestimmte Position bei der Messung hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (2) als Elektromagnet ausgebildet ist und ein moduliertes Magnetfeld (3) erzeugt und dass wenigstens ein die Feldstärke in drei orthogonalen Positionen messender Magnetsensor im Magnetfeld (3) angeordnet ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Steuerung einer physikalischen Größe in Abhängigkeit von dem mit dem Verfahren und/oder der Vorrichtung gebildeten Positionssignal, welches die relative Lage von Magnet und Messort angibt.