DE19520299A1 - Einrichtung zur Lageerkennung - Google Patents
Einrichtung zur LageerkennungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Lageerken
nung nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, daß zur Lageerkennung bzw. zur Winkelerken
nung, beispielsweise zur Erkennung der Winkelstellung einer
Welle in einem Kraftfahrzeug, Sensorsysteme eingesetzt wer
den, die einen Aufnehmer umfassen, der eine mit der Welle in
Verbindung stehende Codescheibe abtastet und ein Ausgangssi
gnal liefert, das Informationen enthält, die es erlauben,
die Stellung der Welle zu erkennen.
Solche Sensorsysteme arbeiten nach verschiedenen physikali
schen Verfahren, als Beispiele für gängige Sensorprinzipien
seien genannt: Hallsensoren, induktive Sensoren auf Wirbel
strombasis, Potentiometer, kapazitive Sensoren sowie magne
toresistive Sensoren. Diese Sensoren arbeiten im allgemeinen
zuverlässig und verschleißfrei. In Kraftfahrzeugen werden
mit Hilfe solcher Sensoren beispielsweise die Pedalwertposi
tion bei einem elektronischen Gaspedal, die Drosselklappen
position bei einem E-Gas-Steller, die Bremspedalposition bei
elektronischen Bremspedalen oder auch die Stellung der Kur
bel- oder Nockenwelle ermittelt.
Ein Beispiel für Vorrichtungen oder Verfahren zur Lageerken
nung wird in der DE-OS 42 43 778 gegeben. Dabei wird eine
Vorrichtung beschrieben, bei der ein Codeträger eine erste
Spur mit einer Vielzahl gleichartiger Markierungen aufweist
und eine zweite Spur mit unterscheidbaren Markierungen oder
gleichen Markierungen mit unterschiedlichem Abstand. Diese
Markierungen werden von wenigstens zwei Aufnehmern abgeta
stet. Der Codeträger sowie die beiden Aufnehmer bilden ein
Sensorsystem, dessen Ausgangssignale in einer nachfolgenden
Auswerteeinrichtung ausgewertet werden zur Erkennung der
Lage des Codeträgers, beispielsweise zur Erkennung einer
Winkelstellung. Als Beispiele für die Verwendung einer sol
chen Vorrichtung wird die Bestimmung des Lenkradwinkels oder
der Drosselklappenstellung bei einer Brennkraftmaschine
angegeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung
der aus der DE-OS 42 43 778 bekannten Vorrichtung zur Lage
erkennung. Gelöst wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1
angegebene Einrichtung zur Lageerkennung.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Lageerkennung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß besonders
zuverlässige und genaue Messungen durchgeführt werden kön
nen, wobei besonders vorteilhaft ist, daß ein redundantes
System vorliegt, das im Falle des Ausfalls eines Systemes
immer noch ausreichende Informationen liefert. Es ist wei
terhin vorteilhaft, daß das beanspruchte System berührungs-
und verschleißfrei arbeitet und ohne aufwendige Prüf- und
Abgleichvorgänge eingesetzt werden kann, wobei es sich weit
gehend selbstständig kalibriert. Weiterhin ist vorteilhaft,
daß das angegebene System keinen Temperaturgang und keine
Drifterscheinungen aufweist.
Erzielt werden diese Vorteile, indem eine Kombination von
zwei voneinander unabhängigen Meßsystemen zu einem einzigen
System durchgeführt wird, wobei die Kombination so erfolgt,
daß die Nachteile der Einzelsysteme verschwinden und die
Vorzüge der Einzelsysteme zur Nutzung gelangen. Es werden
dazu zwei Sensorsysteme verwendet, die nach unterschiedli
chen physikalischen Prinzipien arbeiten. Verknüpft werden
die beiden Sensorsysteme mit Hilfe eines Mikrocontrollers,
der an anwendungsspezifische Modifikationen anpaßbar ist.
Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der in den
Unteransprüchen angegebenen Merkmale erzielt. Dabei ist es
besonders vorteilhaft, daß das erste Sensorsystem ein opti
sches Sensorsystem ist, das mit lichtemittierenden Elementen
arbeitet, die über eine Geberscheibe mit lichtdurchlässigen
Stellen mit den Aufnehmern zusammenwirken und das zweite
Sensorsystem ein Magnet-Hallsystem ist, bei dem ein Hallele
ment als Aufnehmer mit einem Magneten zusammenwirkt.
In vorteilhafter Weise läßt sich die beanspruchte Einrich
tung zur Lageerkennung zur Bestimmung der Pedalwertposition,
der Drosselplattenposition, der Bremspedalposition, der
Lenkwinkelbestimmung oder in Verbindung mit einer Leuchtwei
tenregulierung in Kraftfahrzeugen einsetzen, da die dort
verlangte zuverlässige Arbeitsweise sichergestellt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Dabei zeigt im einzelnen Fig. 1 das Gesamtsystem
in vereinfachter Darstellung, Fig. 2 eine Ausgestaltung des
ersten Sensorsystems, Fig. 3 eine ergänzende Darstellung
des optischen Systems nach Fig. 2 und Fig. 4 einen Signal
verlauf für das Beispiel nach Fig. 3, in Fig. 5 ist ein
Signalverlauf für das optische System nach Fig. 2 darge
stellt.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Magnet-Hallsystems, das das
zweite Sensorsystem bildet, in Fig. 7 ist ein Verlauf der
Hallspannung über einem Drehwinkel aufgetragen. In Fig. 8
ist die konstruktive Ausführung des Gesamtsystemes darge
stellt und Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild für ein redun
dantes Ausführungsbeispiel mit zwei Mikrocontrollern. In
Fig. 10 ist eine weitere Ausgestaltung der Sensorsysteme
dargestellt.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Lageerkennung schematisch dargestellt. Die
ses Beispiel läßt das Grundprinzip erkennen, das darin be
steht, daß zwei in sich vollkommen unterschiedliche Sensor
systeme 10, 11 zu einer gemeinsamen Einrichtung zur Lageer
kennung kombiniert werden, wobei die Eigenschaften beider
Sensorsysteme derart miteinander verknüpft sind, daß sich
die Nachteile der Einzelsensorsysteme nicht bemerkbar machen
und die Vorteile der Einzelsensorsysteme zu einem günstigen
Gesamtsystem verbunden werden.
Die Sensorsysteme 10, 11 sind so angeordnet, daß sie den
Drehwinkel α einer Welle 12 ermitteln können. Die Sensorsy
steme 10, 11 sind über Verbindungen V1, V2, V3, V4 mit dem
Mikrocontroller 13 verbunden, der die Ausgangssignale der
beiden Sensorsysteme verwertet und ein Ausgangssignal OUT
liefert, das den zu ermittelnden Winkel α wiedergibt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist selbstverständlich
nicht auf die Auswertung eines Drehwinkels α einer Welle 12
beschränkt, sondern kann genauso in Verbindung mit einer
Linearbewegung eingesetzt werden. Dabei können entweder die
Aufnehmer der Sensoren fest und die Codescheibe bzw. die
Magnete etc. mit den bewegbaren Körper verbunden sein oder
umgekehrt.
In Fig. 2 ist ein Beispiel für das erste Sensorsystem ange
geben, es handelt sich um ein optisches Sensorsystem, das
bereits aus der DE-OS 42 43 778 bekannt ist. Bei diesem
System ist eine Codescheibe 14 mit der Welle 12, deren Dreh
winkel α bestimmt werden soll, verbunden. Die Codescheibe
weist dabei eine erste Spur 15 auf, mit einer Vielzahl
gleichartiger Marken 16, die alle voneinander den identi
schen Abstand d aufweisen. Eine zweite Spur 17, die die
Referenzspur darstellt, weist gleichartige Marken 18a bis
18i auf, deren Abstand ein ganzzahliges Vielfaches der
Strecke d1 beträgt, wobei dieses ganzzahlige Vielfache von 1
(zwischen den Marken 18a und 18b) bis 8 (zwischen den Marken
18i und 18a) läuft. Dabei ist der Abstand zwischen der Marke
18b und 18c mit d2 bezeichnet, der Abstand zwischen 18c und
18d ist mit d3 bezeichnet usw.
Die Codescheibe 14 bildet zusammen mit dem Sensor 19 das
Sensorsystem 10. Das Sensorsystem 10 umfaßt dabei ein
lichtemittierendes Element, das auf einer Seite der lichtun
durchlässigen Codescheibe angeordnet ist, während sich der
Sensor 19 auf der anderen Seite befindet und die Marken 16
und 18a bis 18i als lichtdurchlässige Stellen oder Durchbrü
che ausgebildet sind.
Der Sensor 19 gibt in Abhängigkeit von der von ihm regi
strierten Helligkeit, also je nachdem ob zwischen dem
lichtemittierenden Element und dem betreffenden Aufnehmer ein
Durchbruch oder die lichtundurchlässige Geberscheibe liegt,
ein charakteristisches Ausgangssignal ab. Dieses Ausgangs
signal wird dem Mikrocontroller 13 zugeführt, der üblicher
weise geeignete Zähl- sowie Speichermittel umfaßt und die
gemessene Winkelstellung ermittelt.
Der Sensor 19 kann beispielsweise drei lichtempfindliche
Elemente aufweisen, beispielsweise Photodioden, wobei die
erste und die zweite Photodiode der Spur 15 zugeordnet sind
und die Signale A bzw. B liefern. Die dritte Photodiode ist
an der Spur 17 zugeordnet und liefert das Signal I. Der sich
ergebende Signalverlauf ist in Fig. 4 dargestellt.
Ein solcher Sensor 19, bei dem jedoch sechs Photodioden vor
handen sind, ist bekannt aus einem Firmenprospekt der Firma
HP mit der Bezeichnung "Three Channel Optical Incremental
Encoder Modules". Dabei handelt es sich um einen Sensor, der
intern insgesamt sechs Signale erzeugt, wobei jeweils zwei
Signale für A, B und I erhalten werden, die miteinander ver
glichen werden, so daß letztendlich zur Hell/Dunkelerkennung
immer die Differenz zweier Signale A oder zweier Signale B
oder zweier Signale I verwendet werden kann, womit eine
altersbedingte Empfindlichkeitsveränderung der Photodioden
kompensiert wird.
Als Sensor 19 kann auch ein nach einem anderen physikali
schen Prinzip arbeitender Sensor eingesetzt werden, der
wenigstens zwei Signale A und I abgibt, also für jede Spur
15, 17 ein Signal. Es ist dann erforderlich, die Geber
scheibe 14 in geeigneter Weise anzupassen. Bei einem Sensor,
der lediglich zwei Signale abgibt, ist eine Auswertung nur
dann möglich, wenn keine Änderung im Drehrichtungssinn auf
tritt. Eine definierte Nullage wird bei dem beschriebenen
System mit Hilfe der Referenzmarken 18a bis 18i festgelegt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Spur 19 lediglich
eine einzige Referenzmarke auf, die zur Festlegung der
Nullage dient.
Weiterhin kann als Sensor 19 eine Anordnung eingesetzt
werden, wie sie in Fig. 10 skizziert ist. Dabei werden wie
derum Signale A, B, I generiert, wobei Magnet-Hall-Schranken
48, 49, 50 in Verbindung mit einem magnetisch leitenden
Blendenrad 51 mit einer Anzahl Winkelmarken eingesetzt wer
den können. Je nach Winkelstellung des Blendenrades ergibt
sich die Verteilung des magnetischen Flusses. Die Anordnung
entspricht im Prinzip der Anordnung des optischen Systemes
nach Fig. 2, wobei die optischen Aufnehmer durch
Hall-Schranken 48, 49, 50 zu ersetzen sind.
Die Drehrichtungserkennung erfolgt beim System nach Fig. 10
ebenfalls mit den um einen halben Winkelmarkenabstand ver
setzten Hall-Schranken bzw. Hall-Sensoren.
Das Sensorsystem 10, also das optische Abtastsystem befindet
sich in einem gemeinsamen gabelförmigen Gehäuse, die genaue
Anordnung ist beispielsweise Fig. 8 zu entnehmen. Wie in
Fig. 3 dargestellt ist, befindet sich eine lichtemittierende
Diode 20, die über die Eingänge 1, 4 und den Widerstand 33
mit Spannung versorgt wird, auf der einen Seite und das
Empfängerarray auf der anderen Seite der Gabel. Damit nur
eine lichte mittierende Diode 20 als Lichtquelle erforderlich
ist, wird deren Licht mit einer entsprechend gestalteten
Linse 27 parallelisiert. Die drei Empfängersysteme mit den
Fotodioden 21 bis 26 sind mit den dazugehörenden Verstärker
schaltungen 28, 29, 30 in einem gemeinsamen Chip 31, der
auch den Auswerte-µC 32 umfaßt, integriert. An den Ausgängen
2, 3, 5 dieses Chips stehen also drei Impulsfolgen zur Ver
fügung: Kanal A und B repräsentieren die Impulse, die der
Winkeländerung entsprechen, Kanal I liefert den Referenz
punkt bzw. die Nullstellung der Codescheibe 14. Aus den
Signalen A und B, die um 90° phasenverschoben sind, kann die
Information über die Drehrichtung der Scheibe gewonnen wer
den.
In Fig. 4 sind die Signale A, B und I als Spannungssignale
über einen Winkel α aufgetragen. Dabei sind einige für die
Signalverarbeitung benötigte Strecken mit entsprechenden
Bezeichnungen näher gekennzeichnet. Die Fig. 4 ist im übri
gen ebenso wie Fig. 2, 3, 4, 5 Bestandteil der
DE-OS 42 43 778, die ausführlichere Informationen zum opti
schen Sensorsystem nach Fig. 2 liefert.
Zusammen mit der Indexmarkierung und der Drehrichtungserken
nung bietet die Anordnung nach Fig. 2 alle Voraussetzungen,
um einen Drehwinkel α mit einer bestimmten, durch die Tei
lung der Codescheibe 14 vorgegebenen Auflösung zu messen.
Bei 360 Löchern pro Scheibe und Ausnutzung der Möglichkeit
der Impulsvervierfachung läßt sich eine Winkelauflösung im
gesamten Drehwinkelbereich der Scheibe von 0,25° erreichen.
Diese Auflösung entspricht wegen des Funktionsprinzips auch
der Messungsgenauigkeit des Sensorsystems 10, sie ist be
reichsunabhängig und gilt über den gesamten Temperaturbe
reich.
Diese Eigenschaft stellt den wesentlichen Vorteil des Sen
sorsystems 10 dar. Ein Nachteil dieses Prinzips ist der Um
stand, daß es sich um einen Inkrementalgeber handelt, dessen
Information nicht sofort bei Einschalten des Sensors gültig
ist. Es muß erst die Indexmarke des Sensors durch eine
Aktion erreicht werden, bevor das Sensorsignal gültig ist.
Mit anderen Worten erst nachdem sich die Scheibe um einen
bestimmten Winkel gedreht hat, kann eine Bestimmung der
Winkellage dann fortlaufend erfolgen.
Zusammen mit dem zweiten Sensorsystem 11, das beispielsweise
als Magnet-Hallsystem aufgebaut ist, ergibt sich die bean
spruchte Einrichtung zur Lageerkennung.
Das als Sensorsystem 11 verwendete Magnet-Hallsystem, das in
Fig. 6 dargestellt ist, ist so gestaltet, daß der Hallsen
sor 34 auf den Drehwinkel α des Magnetfeldes bzw. der Welle
reagiert. Das Magnetfeld wird im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 6 durch einen Doppelmagneten 35, 36 gebildet, der sei
nerseits fest mit der Drehachse der Welle 12 verbunden ist.
Der ortsfeste Hallsensor befindet sich mit seiner aktiven
Fläche, also dem aktiven Hallelement 37, senkrecht in diesem
Magnetfeld. Das sich mit der Drehachse drehende Magnetfeld
bewirkt im Hallsensor über den Winkelbereich von 360° eine
sinusförmige Spannungsänderung. Beim Ausführungsbeispiel ist
ein Einsatzbereich des Winkelsensors von maximal 120° erfor
derlich, es läßt sich daher innerhalb der Sinusfunktion ein
Bereich finden, der hinreichend genau durch übliche Lineari
sierungsverfahren für die Winkelmessung benutzt werden kann.
Ein typischer Spannungsverlauf der Ausgangsspannung des
Hallelements UH über dem Winkel α ist in Fig. 7 darge
stellt. Durch Nutzung von Hallelementen mit integrierter
Vorverstärkung läßt sich ein Ausgangspegel realisieren, der
direkt von einem Mikrocontroller verarbeitet werden kann.
Bei einem alleinigen Einsatz eines solchen
Magnet-Hall-Sensors würden folgende Nachteile auftreten: Es
wäre eine Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Magnet
feldstärke vorhanden, verursacht durch den Abstand zwischen
Magnet und Hallsensor sowie durch gewisse Magneteigenschaf
ten, durch Abhängigkeit der Ausgangsspannung von den Hall
elementeigenschaften, beispielsweise Offset, Temperaturgang,
Verstärkungsfaktor, eine Nichtlinearität des Meßverfahrens
infolge des sinusförmigen Verlaufes der Signalspannung über
dem Drehwinkel α.
Durch Kombination der Sensorsysteme 10 und 11 lassen sich
jedoch die Nachteile der beiden Einzelsysteme 10 und 11
vollständig vermeiden. Es entsteht daher ein Sensorsystem,
das den Anforderungen an ein Winkelmeßsystem in nahezu
idealer Weise entspricht.
Die Verknüpfung beider Sensorsysteme erfolgt mit Hilfe eines
Mikrocontrollers 13 nach Fig. 2. Falls eine echte Redundanz
erforderlich sein sollte, läßt sich mit einer später noch
genauer beschriebenen Anordnung gemäß Fig. 9 eine Auswer
tung mittels zweier Mikrocontroller 41, 42 realisieren. Der
oder die Mikrocontroller hat oder haben die Aufgabe, die
digitalen Ausgangssignale des optischen inkrementalen Sen
sors 10 zu erfassen und in einen dem Drehwinkel α entspre
chenden Ausgangswert umzuwandeln. Das Spannungssignal des
Hall-Magnet-Sensors 11 wird von einem Analog-Digital-Wandler
des Mikrocontrollers erfaßt und über einen Algorithmus in
einen dem Drehwinkel entsprechenden Ausgangswert umgewan
delt.
Das Programm des oder der Mikrocontroller(s) sorgt dafür,
daß die Meßwerte der Sensorsysteme 10 und 11 so verknüpft
werden, daß in der Gesamtheit der Lösung ein Ausgangssignal
entsteht, das insgesamt den Anforderungen an ein präzises
Winkelmeßsystem genügt. Der dazu erforderliche Algorithmus
besteht aus zwei Teilen, die wie folgt beschrieben werden:
Im Teil 1 des Algorithmus werden die Belange der Fertigung
des Sensors mit den dazugehörenden Abgleichschritten be
schrieben. In diesem Teil des Algorithmus wird die Kennlinie
des Magnet-Hall-Systems mit Hilfe des optischen Inkremental
sensors linearisiert. Das optische System dient hierbei als
Basis mit ausreichender Genauigkeit, auf der Basis dieser
Vergleichswerte wird in einem externen Rechner eine Lineari
sierungsfunktion oder eine Tabelle erzeugt, die dann dem
Mikrocontroller übergeben wird. Mit Hilfe dieser Linearisie
rungsfunktion oder Tabelle kann für den Magnet-Hall-Sensor
eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden. Die Korrektur
des Temperaturganges des Magnet-Hall-Systems ist möglich,
aber für die vorgesehenen Anwendungsfälle nicht erforder
lich. Durch die Selbstkalibrierung des Sensorssystems kann
erreicht werden, daß das zuvor stark nichtlineare
Magnet-Hall-System annähernd die Meßgenauigkeit des opti
schen Encoders aufweist.
Der Teil 2 des Algorithmus des Mikrocontrollers ist für das
eigentliche Messen des Sensors verantwortlich. Es wird dabei
davon ausgegangen, daß beim Einschalten des Sensors der
optische Encoder seinen Referenzpunkt noch nicht erkannt
hat. In diesem Fall ist es nicht möglich, das optische
inkrementale System für die Winkelmessung zu benutzen. Der
Algorithmus bewirkt, daß in diesem Fall das vom
Analog-Digital-Wandler eingelesene Analogsignal des
Magnet-Hall-Systems als Meßwert für den Drehwinkel α ausge
geben wird. Dies ist so lange der Fall, bis sich die Code
scheibe in eine solche Position bewegt hat, bei der die
Referenzmarke des optisch inkrementalen Systems erkannt
wird. Von diesem Augenblick an sorgt der Algorithmus dafür,
daß der vom optischen System generierte Winkel, der eine
höhere Genauigkeit aufweist, als gemessener Drehwinkel aus
gegeben wird.
Aus Sicherheitsgründen werden zusätzlich die Signale des
Magnet-Hall-Systems und des optischen inkrementalen Systems
laufend miteinander verglichen, so daß Fehlerfälle eindeutig
detektiert werden können. Auf diese Weise erhält die Sen
soranordnung ein hohes Maß an Eigensicherheit und es ergibt
sich die Möglichkeit der Erkennung falsch plausibler Werte.
Fällt eines der Sensorsysteme 10, 11 während des Betriebes
aus, kann das intakte Sensorsystem allein die Meßfunktion
mit eingeschränkten Parametern übernehmen. Es ist somit eine
Redundanz in sicherheitskritischen Systemen möglich.
Durch den Einsatz eines oder zwei Mikrocontrollers im Sensor
besteht die Möglichkeit, eine digitale Schnittstelle zwi
schen dem Sensor und einem nachfolgenden Auswertegerät,
z. B. einem Mikrocontroller zu realisieren, beispielsweise
eine CAN-, UART-, PWM-Schnittstelle. Es ist dann eine pro
blemlose Anpassung an verschiedenartigste Auswertesysteme
möglich.
Eine konstruktive Ausführung der gesamten Einrichtung zur
Lageerkennung ist in Fig. 8 skizziert. Sie besteht aus
einem Gehäuseunterteil 38, in dem sich eine in einer Buchse
39 drehbar gelagerte Welle 12 befindet, die ihrerseits mit
dem Aggregat, also z. B. der Welle verbunden ist, deren
Drehwinkel α gemessen werden soll. Fest mit dieser Welle 12
verbunden ist die Codescheibe 14, die Bestandteil des
optisch-inkrementalen Encoders, also des Sensorsystems 10
ist. Die Anzahl der Markierungen der Codescheibe wird durch
die geforderte Auflösung des Winkelmeßsystems bestimmt.
Als Beispiel kann eine Scheibe mit 360 Markierungen
(Löchern) eingefügt werden, wodurch eine Winkelauflösung von
0,25° erreichbar ist. Die Anzahl der Markierungen kann deut
lich höher gewählt werden, wenn dies erforderlich sein soll
te. Bei mehr als 1000 Markierungen ist eine Winkelauflösung
von 0,1° möglich. Die in der zweiten Spur angeordneten
Indexmarken dienen als Bezugspunkt für das Inkremental
system. Bei der Verwendung mehrerer Indexmarken kann das
Inkrementalsystem schneller initialisiert werden, außerdem
besteht die Möglichkeit, beim Erkennen von Indexmarken, den
jeweils ermittelten Meßwert zu überprüfen und zu verifizie
ren.
Auf dem Gehäuseunterteil 38 befindet sich der zur Codeschei
be gehörende Sensor, der die Scheibe gabelförmig umfaßt,
wobei sich auf der Oberseite der Gabel die Leuchtdiode mit
Linse zur Parallelisierung des Lichtes und auf der Untersei
te der Gabel ein Photodiodenarray zur Generierung der zwei
um 90° gegeneinander verschobenen Impulsfolgen A und B und
zur Erkennung der Indexmarken I befinden.
Fest mit der Welle 12 verbunden ist die Magnetanordnung, die
ihrerseits aus zwei Einzelmagneten 35, 36 besteht. Die Ein
zelmagnete sind gegenpolig gepaart, so daß sich ein typi
scher Feldverlauf, wie in Fig. 7 dargestellt, ergibt. Die
Mittelachse der Magnetanordnung fluchtet mit der Mittelachse
der Welle 12.
In einem Abstand a von der Magnetanordnung befindet sich der
Hallsensor 34, der mit seiner aktiven Fläche 37 im durch die
Magnetanordnung erzeugten Magnetfeld steht. Der Hallsensor
selbst besteht aus dem Hallelement und einem integrierten
Vorverstärker, der die Hallspannung so verstärkt, daß die
durch die Drehung des Magneten verursachte Hallspannungsän
derung in einem Bereich von etwa 1-4 Volt liegt. Diese
Spannung kann dann direkt an den Eingang des zum Mikrocon
troller 13 gehörenden Analog-Digital-Wandler gelegt werden.
Der Hallsensor selbst befindet sich auf einem Verdrahtungs
träger 40, der im Gehäuseunterteil eingesetzt ist. Auf die
sem Verdrahtungsträger 40 befindet sich auch der zum System
gehörende Mikrocontroller 13 mit allen zu seiner Funktion
erforderlichen Komponenten. Diese Komponenten, die in der
Zeichnung nicht dargestellt sind, umfassen wenigstens einen
Festspannungsregler, einen Quarz zur Erzeugung der Schwin
gungen, verschiedene Kondensatoren und Widerstände, die
nicht abgebildet sind. Ein Deckel 47 verschließt das gesamte
System.
Ein Blockschaltbild einer möglichen Schaltung ist in Fig. 9
dargestellt, für eine redundante Lösung mit zwei Mikrocon
trollern 41, 42 sowie zwei Analog-Digital-Wandler 43, 44 und
zwei CAN-Schnittstellen 45, 46. Die Sensorsysteme 10, 11
sowie die beiden Mikrocontroller 41, 42 sind dabei in geeig
neter Weise miteinander verbunden.
Anstelle eines Sensors, der aus einem optischen und einem
Magnet-Hall-System besteht, können Einzelsensorsysteme, die
nach anderen physikalischen Prinzipien arbeiten, eingesetzt
werden. Voraussetzung ist, daß die beiden verwendeten Sen
sorsysteme nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. An
stelle des optischen Systems kann beispielsweise ein Magnet
system eingesetzt werden, bei dem als Scheibe eine ferro
magnetische Scheibe verwendet wird, die mit induktiven Auf
nehmern abgetastet wird. Als Markierungen können dabei ent
weder Schlitze oder Zähne oder Bereiche aus anderem Material
verwendet werden.
Claims (14)
1. Einrichtung zur Erkennung der Lage eines bewegbaren Kör
pers, mit einem ersten Sensorsystem, das nach einem ersten
physikalischen Prinzip arbeitet und ein von der zu ermit
telnden Lage abhängiges Signal abgibt, dadurch gekennzeich
net, daß ein zweites Sensorsystem vorhanden ist, das nach
einem zweiten physikalischen Prinzip arbeitet und ein von
der zu bestimmenden Lage abhängiges Signal abgibt und eine
Auswerteeinrichtung vorhanden ist, die die Ausgangssignale
des ersten und des zweiten Sensorsystems gemeinsam auswer
tet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste System einen Codeträger umfaßt, der eine erste
Spur mit einer Vielzahl von gleichartigen Markierungen, die
im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind, umfaßt und
eine zweite Spur mit wenigstens einer Referenzmarke aufweist
und ein Sensorelement mit wenigstens zwei Aufnehmern, die
den einzelnen Spuren zugeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das zweite Sensorsystem wenigstens ein Markierungs
element aufweist, das mit dem Körper, dessen Lage ermittelt
werden soll, in Verbindung steht, mit einem Aufnehmer, der
dem Markierungselement zugeordnet ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Codeträger sowie
das Markierungselement bewegbar sind und die beiden Sensor
systeme fest sind oder der Codeträger fest ist und die bei
den Sensorsysteme bewegbar sind, wobei das bewegbare Teil
sich auf dem Körper, dessen Lage ermittelt werden soll, an
geordnet ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sensorsystem ein opti
sches Sensorsystem ist und das zweite Sensorsystem nach dem
Magnet-Hall-Prinzip arbeitet.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Codeträger lichtundurchlässig ist und die Markierungen
als Schlitze oder Löcher ausgebildet sind, daß das lichtemit
tierende Element auf einer Seite des Codeträgers angeordnet
ist und die Aufnehmer auf der anderen Seite sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das lichtemittierende Element eine Leuchtdiode ist und die
Aufnehmer Photozellen, wobei jeweils zwei Photozellen zu
einem Aufnehmer kombiniert sind.
8. Einrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Sensorsystem einen Hallsensor
mit einem aktiven Hallelement umfaßt, der wenigstens zwei
Magnetelemente abtastet, die mit dem Codeträger in Verbin
dung stehen.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Codeträger eine Codescheibe
ist, die mit einer Welle in Verbindung steht, deren Winkel
stellung (α) zu ermitteln ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei zusammenwirkende Mikrocon
troller vorgesehen sind, die mit jedem der beiden Sensor
systeme in Verbindung stehen und ein gemeinsames Ausgangs
signal liefern, das der zu messenden Größe entspricht.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sensorsystem nach
einem magnetischen Prinzip arbeitet und die Codescheibe aus
einem Material mit vorgebbaren magnetischen Eigenschaften
gefertigt ist und die Marken als Bereiche mit anderen magne
tischen Eigenschaften ausgebildet sind und als Sensorelemen
te Induktivsensoren eingesetzt werden.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung entweder
einen Mikrocontroller umfaßt, der beide Sensorsysteme aus
wertet oder wenigstens zwei Mikrocontroller, die beide
Sensorsysteme auswerten und untereinander in Verbindung
stehen.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrocontroller Schnitt stellen umfassen, die an die
zu erwartenden Erfordernisse anpaßbar sind.
14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung einer Pedal
wertposition oder einer Drosselklappenposition oder einer
Bremspedalposition oder eines Lenkwinkels bzw. Lenkradwin
kels in einem Fahrzeug verwendet wird.
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