DE112006002338T5

DE112006002338T5 - Winkelpositionserkennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112006002338T5
Application number: DE112006002338T
Authority: DE
Inventors: Warren Gordon Pettigrew
Original assignee: Dynamic Controls Ltd
Current assignee: Dynamic Controls Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-07-17
Also published as: GB0805136D0; GB2444012A; US20090278532A1; GB2444012B; WO2007027107A1; GB2444012C

Abstract

Winkelpositionserkennungsvorrichtung für ein Fahrzeug (mobility vehicle), die Folgendes umfasst:
a. einen ersten und einen zweiten Magnetsensor, die in einer Ebene gegeneinander verdreht sind und so ausgerichtet und verbunden sind, dass ihre Ausgänge komplementär sind und zur Richtung des Magnetfeldes in Beziehung stehen;
b. eine Magnetfeldquelle, die relativ zu dem ersten und dem zweiten Sensor in der Ebene dergestalt gedreht werden kann, dass die Richtung eines an den ersten und den zweiten Sensor angelegten Magnetfeldes verändert wird; und
c. eine Erkennungsschaltung, welche die Ausgänge der Sensoren überwacht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung, die sich zur Verwendung in einem Fahrzeug (mobility vehicle), insbesondere als eine Geschwindigkeitssteuerungseingabevorrichtung, eignet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Potentiometer sind die am häufigsten verwendeten Geschwindigkeitseingabevorrichtungen für Fahrzeuge. Potentiometer sind mit dem Risiko behaftet, dass der Potentiometerschleifer den Stromkreis öffnet oder eine Verbindung bricht, was dazu führen kann, dass sich ein Fahrzeug "verselbstständigt". Potentiometer sind auch verschleißanfällig, was zu einem unzuverlässigen und unsicheren Verfalten führt.
Es ist ein Bedarf an einer Winkelpositionserkennungsvorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung von Fahrzeugen mit verbesserter Zuverlässigkeit und Sicherheit erkannt worden.
Elektrostatische und optische Eingabevorrichtungen erfordern eine lückenlose hermetische Abdichtung, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Dadurch steigen die Komplexität und die Kosten. Optische Codierer haben eine ausreichende Auflösung, sind aber teuer.
Hall- oder magnetoresistive Magnetfeldstärkesensoren haben Ausgänge, die entsprechend der Stärke des angelegten Magnetfeldes variieren. Diese erfordern einen sorgfältigen Entwurf des Magnetkreises, eine sorgfältige Steuerung der Magnetfeldstärke und eine sorgfältige Abschirmung vor externen Feldern. Des Weiteren ermöglichen Einzelbrücken-Ausführungsformen keine Vorrichtungsfehlerkorrektur.
Es wäre wünschenswert, eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung für Fahrzeuge bereitzustellen, die eine verbesserte Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten und gleichzeitig relativ kostengünstig sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

a. einen ersten und einen zweiten Magnetsensor, die in einer Ebene gegeneinander verdreht sind und so ausgerichtet und verbunden sind, dass ihre Ausgänge komplementär sind und zur Richtung des Magnetfeldes in Beziehung stehen;
b. eine Magnetfeldquelle, die relativ zu dem ersten und dem zweiten Sensor in der Ebene dergestalt gedreht werden kann, dass die Richtung eines an den ersten und den zweiten Sensor angelegten Magnetfeldes verändert wird; und
c. eine Erkennungsschaltung, welche die Ausgänge der Sensoren überwacht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt, die Folgendes umfasst:

a. eine erste und eine zweite Brücke, die aus Magnetsensoren gebildet sind, wobei jede Brücke relativ zu der anderen Brücke in einer Ebene dergestalt verdreht ist, dass Ausgänge erzeugt werden, die eine Kosinus/Sinus-Beziehung in Bezug auf den Magnetfeldwinkel aufweisen.
b. eine Magnetfeldquelle, die relativ zu der ersten und der zweiten Brücke in der Ebene dergestalt gedreht werden kann, dass die Richtung eines an die Brücken angelegten Magnetfeldes verändert wird, wenn die Magnetfeldquelle gedreht wird;
c. eine Stromversorgung, die Strom an die erste und die zweite Brücke anlegt; und
d. eine Erkennungsschaltung, die Spannungen an den Brücken überwacht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun anhand des Beispiels bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 zeigt ein Schaubild einer Winkelpositionserkennungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt den mechanischen Aufbau einer Erkennungsvorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt die Beziehung von Ausgängen der Winkelpositionserkennungsvorrichtung von 1.
4 zeigt eine Schaltung zum Aufbereiten des Ausgangs von einer Brücke.
5 zeigt ein Schaubild einer Winkelpositionserkennungsvorrichtung.
6 zeigt ein Schaubild eines Fahrzeug-Steuerungssystems gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wenden wir uns zuerst 1 zu, wo ein Schaubild einer bevorzugten Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt ist. Eine erste Brücke besteht aus Magnetsensorelementen 1 bis 4, und eine zweite Brücke besteht aus Magnetsensorelementen 5 bis 8. Eine Magnetfeldquelle 9 in Form von Dauermagneten 10 und 11 und einer stählernen Tragplatte 12 kann in der Ebene der Brücken so gedreht werden, dass die Hauptmagnetfeldrichtung 13 die Magnetsensorelemente abtastet, während sie gedreht wird. Zwar ist eine Brücke bevorzugt, die allein aus Magnetsensorelementen besteht, versteht es sich, dass auch eine Brücke verwendet werden könnte, die ein oder mehrere Magnetsensorelemente aufweist.
Ein möglicher physischer Aufbau einer Winkelpositionserkennungsvorrichtung, die in einem Potentiometer-artigen Gehäuse verkapselt ist, ist in 2 gezeigt. Die Querschnittsansicht zeigt eine Leiterplatte 14 mit einer Magnetbrückenerkennungsvorrichtung 15, die in einem Gehäuse 16 untergebracht sind. Magnete 10 und 11 sind an einer stählernen Tragplatte 12 angebracht, die relativ zu der Magnetbrückenerkennungsvorrichtung 15 durch Drehung der Welle 17 gedreht werden kann.
Die Brücken können in einer einzelnen Vorrichtung angeordnet sein, wie zum Beispiel einem Philips KMZ41. Da die Vorrichtung nicht auf die Stärke eines Magnetfeldes, sondern auf seine Richtung anspricht, ist die Schaltung gegen externe Magnetfelder relativ immun, wodurch der Entwurf der Magnetschaltung beträchtlich vereinfacht wird. Die Magnetsensorelemente 1 bis 4 sind mit Bezug auf die Magnetsensorelemente 5 bis 8 so versetzt, dass die Ausgänge der Brücken eine Sinus/Kosinus-Beziehung oder eine andere geeignete Beziehung aufweisen, wie in 3 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Durchschnittswert zwischen der Sinus- und der Kosinuskurve für Magnetfeldwinkel zwischen 127,5° und 187,5° relativ linear ist.
Die Tatsache, dass die Ausgänge der zwei Brücken eine Sinus/Kosinus-Beziehung haben, bedeutet, dass die Ausgangswerte der zwei Brücken verglichen werden können, um zu überprüfen, dass diese Beziehung vorliegt. Wenn die Ausgänge keine Sinus/Kosinus-Beziehung aufweisen, so kann innerhalb einer vorgegebenen Toleranz (zum Beispiel ±10%) ein Fehlerzustand an die Fahrzeugsteuerung signalisiert werden.
Die Brückenversorgungs- und Erkennungsschaltung muss Anforderungen hinsichtlich der Wärmestabilität erfüllen, während sie gleichzeitig eine entsprechende Erregung der Brücken ermöglicht.
Bei einer Festspannungserregung hat die Brücke einen typischen Temperatur-Signalstärke-Koeffizienten von –0,31%/K.
Über den spezifizierten Betriebstemperaturbereich (–25 bis +50°C) hinweg würde dies zu einer Änderung der Empfindlichkeit von 75 × 0,31 = 23,5 führen. Das ist weit außerhalb der akzeptablen Grenzen.
Wenn Feststromerregung verwendet wird, so erzeugt der Temperatur-Widerstands-Koeffizient der Brücke von +0,34%/K einen gegenläufigen Effekt, indem er die Brückenspannung erhöht, wenn die Temperatur steigt, was zu einem effektiven Temperaturkoeffizienten von –0,34 bis 0,31 = +0,03%/K führt.
Über den spezifizierten Betriebstemperaturbereich hinweg würde dies zu einer Änderung der Empfindlichkeit von –75 × 0,03 = 2,25 führen, was für diese Anwendung akzeptabel ist.
In 4 ist eine mögliche Erkennungsschaltung für eine der Brücken gezeigt. In der Schaltung spannt eine Konstantstromversorgung 20 die Erkennungsbrücke 21 vor. Widerstände 22 und 23 bilden einen Spannungsteiler, der eine Bezugsspannung in den Puffer 24 einspeist. Widerstände 25 und 26 bilden einen Spannungsteiler zwischen dem Ausgangspuffer 24 und einem Schenkel der Brücke 21. Der Ausgang des Spannungsteilers 26 und 25 wird in den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 27 eingespeist. Der Ausgang des anderen Schenkels der Brücke 21 wird über den Widerstand 28 in den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 27 eingespeist. Widerstände 28 und 29 bestimmen die Verstärkung des Operationsverstärkers 27. Der Ausgang der Schaltung wird wie oben beschrieben wärmekompensiert.
5 zeigt eine Schaltung, in der Schaltungen 31 und 32 Schaltungen der in 4 gezeigten Form sind, wobei eine einen Sinusausgang und die andere einen Kosinusausgang erzeugt. Der durch die Widerstände 33 und 34 gebildete Spannungsteiler erzeugt einen Ausgang 35, der einen Durchschnitt der Sinus- und Kosinuswerte darstellt. Diese Anordnung kann verwendet werden, wo ein einzelner analoger Eingang als ein Steuerungseingang benötigt wird.
Wenden wir uns nun 6 zu, wo ein Schaubild eines Fahrzeugsteuerungssystems gemäß einer Ausführungsform gezeigt ist. Erkennungsschaltungen 40 und 41 der in 4 gezeigten Form geben Sinus- und Kosinuseingänge an den Mikroprozessor 42 aus. Der Mikroprozessor 42 empfängt auch Lenksteuerungseingaben von der Eingabevorrichtung 43, wenn die Lenkung nicht mechanisch erfolgt. Der Mikroprozessor 42 gibt Ausgabesteuersignale an die Radansteuerschaltungen 44 und 45 aus. In dieser Ausführungsform werden die durch die Schaltungen 40 und 41 erzeugten Sinus- und Kosinuswerte in digitale Form umgewandelt. Der Mikroprozessor 42 steuert die Ansteuerschaltungen 44 und 45 anhand dieser digitalen Eingänge und der Eingaben von der Eingabevorrichtung 43.
Der Mikroprozessor 42 stellt fest, ob die Eingänge von den Schaltungen 40 und 41 eine Sinus/Kosinus-Beziehung aufweisen. Wenn sich die Eingänge von einer Sinus/Kosinus-Beziehung um einen zuvor festgelegten Betrag unterscheiden, so kann eine Fehlerverarbeitungsroutine eingeleitet werden. Das kann dazu führen, dass die Ansteuerschaltungen 44 und 45 deaktiviert werden, wenn der Mikroprozessor 42 feststellt, dass die Eingänge von den Schaltungen 40 und 41 unzuverlässig sind. Alternativ kann der Mikroprozessor 42 weiterhin einen Eingang von der Schaltung 40 oder der Schaltung 41 verwenden, wenn er feststellt, dass nur eine einzige Schaltung eine Fehlfunktion hat (wenn zum Beispiel von einer Schaltung kein Signal kommt). Diese doppelte Erkennung bietet zusätzliche Sicherheit, und die Hersteller von Fahrzeugen können die Sicherheitsgrade bestimmen, die sie in Software implementieren wollen.
Die Erfindung stellt somit eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung für Fahrzeuge bereit, die kompakt, kostengünstig und mechanisch und mit vorhandenen Potentiometern elektrisch kompatibel ist. Sie ist linear und präzise, hat eine lange Grenznutzungsdauer und bleibt von externen Magnetfeldern relativ unbeeinflusst. Sie ermöglicht außerdem das Implementieren eines verbesserten Sicherheits- und Ausfallsicherheitsbetriebes.
Obgleich die vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung ihrer Ausführungsformen veranschaulicht wurde, und obgleich die Ausführungsformen detailliert beschrieben wurden, liegt es nicht in der Absicht des Anmelders, den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche einzuschränken oder auf derartige Details zu beschränken. Dem Fachmann fallen sofort weitere Vorteile und Modifikationen ein. Darum ist die Erfindung in ihren weiter gefassten Aspekten nicht auf die konkreten Details, die hier vorgestellte Vorrichtung und das das hier vorgestellte Verfahren und die veranschaulichenden Bei spiele, die hier gezeigt und beschrieben sind, beschränkt. Dementsprechend kann von solchen Details abgewichen werden, ohne dass vom Geist oder Geltungsbereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts des Anmelders abgewichen wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung, die sich zur Verwendung in einem Fahrzeug (mobility vehicle), insbesondere als eine Geschwindigkeitssteuerungseingabevorrichtung, eignet. Ein erster und ein zweiter Magnetsensor sind in einer Ebene gegeneinander verdreht und so ausgerichtet und verbunden, dass ihre Ausgänge komplementär sind und zur Richtung des Magnetfeldes in Beziehung stehen. Eine Magnetfeldquelle ist relativ zu dem ersten und dem zweiten Sensor in der Ebene dergestalt drehbar angeordnet, dass die Richtung eines an den ersten und den zweiten Sensor angelegten Magnetfeldes verändert wird. Eine Erkennungsschaltung überwacht die Ausgänge der Sensoren und gibt ein Ausgangssignal aus, das als ein Geschwindigkeitssteuerungseingang für ein Elektrofahrzeug verwendet werden kann. Die Magnetsensoren sind vorzugsweise große Magnetowiderstands-Magnetsensoren mit einer Sinus/Kosinus-Beziehung.

Claims

Winkelpositionserkennungsvorrichtung für ein Fahrzeug (mobility vehicle), die Folgendes umfasst: a. einen ersten und einen zweiten Magnetsensor, die in einer Ebene gegeneinander verdreht sind und so ausgerichtet und verbunden sind, dass ihre Ausgänge komplementär sind und zur Richtung des Magnetfeldes in Beziehung stehen; b. eine Magnetfeldquelle, die relativ zu dem ersten und dem zweiten Sensor in der Ebene dergestalt gedreht werden kann, dass die Richtung eines an den ersten und den zweiten Sensor angelegten Magnetfeldes verändert wird; und c. eine Erkennungsschaltung, welche die Ausgänge der Sensoren überwacht.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Magnetsensor eine Brücke ist, die mindestens ein Magneterkennungselement enthält.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede Brücke aus Magneterkennungselementen gebildet ist, die in der Ebene gegeneinander verdreht sind und so ausgerichtet und verbunden sind, dass die Ausgänge der Brücken komplementär sind.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Magnetsensoren große Magnetowiderstands-Magnetsensoren sind.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgänge der Sensoren eine zuvor festgelegte Beziehung aufweisen.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erkennungsschaltung einen Fehler detektiert, wenn die Ausgänge des ersten und des zweiten Magnetsensors von der zuvor festgelegten Beziehung um einen zuvor festgelegten Betrag abweichen.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zuvor festgelegte Beziehung eine Sinus/Kosinus-Beziehung ist.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Stromversorgung enthält, welche die Brücken mit Strom versorgt, um den Ausgängen Wärmestabilität zu verleihen.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Stromversorgung einen im Wesentlichen konstanten Strom zuführt.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldquelle ein Dauermagnet ist.
Winkelpositionserkennungsvorrichtung für ein Fahrzeug (mobility vehicle), die Folgendes umfasst: a. eine erste und eine zweite Brücke, die aus Magnetsensoren gebildet sind, wobei jede Brücke relativ zu der anderen Brücke in einer Ebene dergestalt verdreht ist, dass Ausgänge erzeugt werden, die eine Kosinus/Sinus-Beziehung in Bezug auf den Magnetfeldwinkel aufweisen; b. eine Magnetfeldquelle, die relativ zu der ersten und der zweiten Brücke in der Ebene dergestalt gedreht werden kann, dass die Richtung eines an die Brücken angelegten Magnetfeldes verändert wird, wenn die Magnetfeldquelle gedreht wird; c. eine Stromversorgung, die Strom an die erste und die zweite Brücke anlegt; und d. eine Erkennungsschaltung, die Spannungen an den Brücken überwacht.
Fahrzeug (mobility vehicle), der eine Winkelpositionserkennungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche enthält.
Fahrzeug (mobility vehicle) nach Anspruch 12, wobei die Winkelpositionserkennungsvorrichtung Geschwindigkeitsanforderungseingabesignale ausgibt.