DE19541768A1

DE19541768A1 - Vorrichtung zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE19541768A1
Application number: DE1995141768
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Phys Blosfeld; Klaus Dipl Ing Heberle; Joachim Ritter
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 1997-05-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung. Es soll die absolute Position eines bewegbaren Elementes bei einer linearen Bewegung oder bei einer Drehbewegung relativ zu einem Bezugssystem bestimmt werden. Derartige Positionsbestimmungen finden ihre Anwendung in verschiedenen technischen Bereichen, beispielsweise bei Potentiometern, Werkzeugmaschinen, wie Drehbänken, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, bei denen die relative Lage des Werkzeuges zu dem Werkstück genau bekannt sein muß, oder bei zueinander bewegbaren Teilen in Kraftfahrzeugen und ähnlichem.

Es ist aus der Praxis bekannt, für solche Positionsbestimmungen auf dem zu messenden Bezugssystem zahlreiche parallele Spuren anzubringen, auf denen ein geeigneter Code, etwa der Gray-Code, aufgebracht ist. Diese Spuren werden mit geeigneten Sensoren, wie optischen, magnetischen Sensoren etc. abgetastet. Durch eine geeignete Auswertung der Meßergebnisse wird die Position bestimmt.

Der Nachteil einer solchen Vorrichtung liegt darin, daß für eine hohe Auflösung die Code-Spuren als ein breites und langes Feld aufgebracht werden müssen und mit einem Sensorsystem, das viele sich über die Breite des Feldes erstreckende Sensoren umfaßt, der Länge nach abgetastet werden muß. Ein solches System wird sehr platzaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung zu schaffen, die weniger platzaufwendig ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung mit einer Folge von 2^Z-1 Binärelementen gelöst, die zumindest einen Teil einer Maximalfolge darstellen und jeweils einen festen Abstand a zueinander haben, mit einer ersten Reihe von Z Sensoren, mit einer zweiten Reihe von Z Sensoren, die zu den Sensoren der ersten Reihe versetzt angeordnet sind, wobei mit den Sensoren eine Meßgröße meßbar ist, mittels welcher die Position der Binärelemente bestimmbar ist, wobei die benachbarten Sensoren einer Reihe jeweils den Abstand a zueinander haben, jedem der Sensoren ein Speicherelement nachgeschaltet ist und die Sensoren relativ zu den Binärelementen bewegbar sind, und mit einer Takteinheit, mit der die Sensoren so ansteuerbar sind, daß die Sensoren einer Reihe die Meßgröße in einer festen Position einlesen und an das Speicherelement weitergeben.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, daß mit einem einmaligen Einlesen in einer bestimmten Position aufgrund der Werte einer Reihe der Z Sensoren die absolute Position hinsichtlich der Binärelemente, d. h. des Bezugssystems, genau festgestellt werden kann. Mit den Z Meßwerten der Sensoren einer Reihe ist die absolute Lage der Sensoren hinsichtlich der Maximalfolge von 2^Z-1 Binärelementen eindeutig festgelegt. Zur eindeutigen Positionsbestimmung ist daher nur ein einmaliges Einlesen in die Z Sensoren erforderlich. Eine Verbesserung der Auflösung wird dadurch erreicht, daß eine zweite Reihe von Z Sensoren ebenfalls in der gleichen Position gleichzeitig eingelesen werden. Durch diese Reihe von Z Sensoren ist eine eindeutige Bestimmung der Position hinsichtlich des Bezugssystem mit den Binärelementen möglich. Durch Verwendung mehrerer Reihen ist ein Fehler durch Vergleich der Meßwerte zuverlässiger auszuschließen. Ein möglicher Fehler hinsichtlich der genauen Position bei einer Reihe von Z Sensoren kann dadurch auftreten, daß ein Sensor in einem Bereich sitzt, in dem der Binärcode wechselt, z. B. im Flankenbereich eines Potentials, so daß dann diesem Sensor und damit der Reihe der Sensoren die Position nicht eindeutig zugeordnet werden kann. Ein solcher Fehler wird durch die zweite Reihe der Sensoren behoben. Denn da diese Sensoren versetzt zu den Sensoren der ersten Reihe angeordnet sind, messen diese die tatsächlichen Werte der Binärelemente, so daß sie die eindeutige Position der Sensoren wiedergeben. Es kann somit auch eindeutig festgestellt werden, welche Reihe der Sensoren in den Zwischenbereichen der Binärelemente sitzt, so daß zur Positionsbestimmung die Position der anderen Reihe von Sensoren verwendet wird.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung können weitere Reihen von Sensoren vorgesehen sein, wobei die Sensoren aller Reihen zueinander versetzt angeordnet sind. Die Sensoren einer jeden Reihe haben jeweils den Abstand a zueinander. Entsprechend der Anzahl der Reihen von Sensoren wird die Auflösung weiter erhöht. Wenn eine Reihe von Sensoren ein zeitlich verwackeltes Signal aufweist, so sitzt wenigstens einer dieser Sensoren in dem Zwischenbereich von zwei Binärelementen bzw. auf einer Potentialflanke. Diese Reihen von Sensoren wird dann zur Auswertung nicht verwendet. Die Auflösung zur Positionsbestimmung erfolgt dann mit den verbleibenden zueinander versetzten Reihen von Sensoren.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Vorrichtung werden die Sensoren, die Speicherelemente und die Takteinheit monolithisch integriert. Vorteilhafterweise werden als Sensoren Hallsensoren und als Binärelemente Magnetpole verwendet. In diesem Fall läßt sich eine räumlich kleine, leicht handhabbare Anordnung erzeugen. Eine derartige Vorrichtung hat aufgrund ihrer hohen Meßzuverlässigkeit und ihres geringen Platzbedarfs einen sehr großen Anwendungsbereich. Die Vorrichtung ist beispielsweise für die verschiedensten Verwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet, beispielsweise als Lenkwinkelsensor, als Sensor für eine Schiebedacheinstellung, als Sensor für eine Sitzverstellung oder für Stoßdämpfer etc.

Die Sensoren der verschiedenen Reihen können abwechselnd hintereinander angeordnet sein. So bilden die verschiedenen Reihen der Sensoren insgesamt eine Sensorreihe. Wie die genaue räumliche Anordnung gewählt ist, hängt von den jeweiligen Platzverhältnissen ab. Die Hintereinanderanordnung führt zu einer sehr schmalen und langen Reihe von Sensoren. In manchen Fällen mag es geeigneter sein sowohl die Reihen als auch die Sensoren zueinander versetzt anzuordnen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sensoren einer Reihe jeweils auf einer Geraden angeordnet. Die Binärelemente können ebenfalls auf einer Geraden angeordnet sein. In diesem Fall genügt es zur Positionsbestimmung, einen Teil einer Binärfolge anzubringen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Sensoren einer Reihe jeweils auf einem Kreisring angeordnet. Die Binärelemente können ebenfalls auf einem Kreisring angeordnet sein. In diesem Fall ist bei Verwendung einer vollständigen Maximalfolge eine eindeutige Positionsbestimmung durch einen Einlesevorgang in einer festen Position möglich. Auch ist es günstig, wenn eine Regel- und Auswerteeinrichtung monolithisch integriert ist. Die Anordnung der Sensoren bzw. Binärelemente auf einem Kreisring ist insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung als Potentiometer vorteilhaft.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung von einer Reihe von Binärelementen,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei Reihen von 7 Sensoren zum Messen der Maximalfolge der Binärelemente aus Fig. 1.

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei auf einer Geraden angeordneten Reihen von 4 Sensoren und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Anordnung von vier auf einer Geraden angeordneten Reihen von 4 Sensoren.

In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als Sensoren Hallsensoren und als Binärelemente Magnetpole verwendet. In Fig. 1 sind die Magnetpole N, S auf einem Ring 1 um den Mittelpunkt M angeordnet. Die Pole N, S sind so aufeinanderfolgend angeordnet, daß sie eine Maximalfolge von 2^Z-1 mit Z = 7 und folglich mit 127 Binärelementen darstellen. In der Figur ist ein Teil der Reihe der Magnetpole N, S eingezeichnet. In der gezeigten Kreisanordnung muß die Maximalfolge vollständig sein, damit keine Unstetigkeit bei der Messung auftritt. Ein Beispiel für eine Maximalfolge mit Z = 7 ist in der Tabelle gezeigt. Dort ist der Index Z, der zugehörige Magnetpol und der Winkel α, in dem der entsprechende Magnetpol angeordnet ist, angegeben. Bei dem Ring 1 handelt es sich somit um einen 127-poligen Magnetring. Er ist axial, sektorenförmig durchmagnetisiert. Der Winkel, um den die Magnetpole versetzt sind, beträgt 360°/127. In jedem der Sektoren liegt ein Nord- oder ein Südpol. Dicke und Radius des Magnetringes werden entsprechend der Anwendung gewählt.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Hallsensoren, die monolithisch integriert sind. Auf einem Halbleitersubstrat 2 sind 14 Hallsensoren 3 auf einem Segment eines Kreises 4 um den Mittelpunkt M angeordnet. Zu jedem Hallsensor 3 gehören Signalleitungen 6, 7, die zu einer ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 2 integrierten Regel- und Auswerteeinrichtung 8 führen. Die durchgezogenen Signalleitungen 6 verbinden die erste Reihe von sieben Hallsensoren und die gestrichelten Signalleitungen 7 die zweite Reihe von sieben Hallsensoren mit der Regel- und Auswerteeinrichtung 8. Jedem der Hallsensoren ist ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Speicherelement nachgeschaltet. Es kann beispielsweise durch eine Flip-Flop-Schaltung realisiert werden. In der Regel- und Auswerteeinrichtung 8 ist eine Takteinheit 9 enthalten, mit der die Hallsensoren 3 so ansteuerbar sind, daß die Sensoren einer Reihe in einer bestimmten Position eine Meßgröße, hier das Magnetfeld des Magnetringes, einlesen und an das jeweilige Speicherelement weitergeben. Der Zugriff der Auswerteschaltung 8 zu den Hallsensoren 3 kann parallel oder über einen seriellen Bus erfolgen. Wesentlich ist, daß die Meßgrößen aller Hallsensoren 3 einer Reihe für eine bestimmte Position der Auswerteschaltung zur Verfügung gestellt werden. Die Auflösung einer Reihe von Sensoren 3 beträgt 127 Bit, so daß ein Polwechsel frühestens nach zwei Bit auftritt. 7 Bit werden parallel eingelesen.

Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Anordnung, bei der die Hallsensoren 3 zweier Reihen auf einer Geraden, abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Die Zuleitung 10 der ersten Reihe der Hallsensoren 3 und die Zuleitung 11 der zweiten Reihe der Hallsensoren 3 sind mit der Regel- und Auswerteeinrichtung 8 verbunden. In dieser Anordnung beträgt der Abstand zweier Hallsensoren 3 einer Reihe a. Da in der Regel- und Auswerteeinrichtung 8 jedem Sensorsignal eine Position zugeordnet wird, beträgt der Bitabstand der gemessenen Positionen a/2. Die gezeigte Sensoranordnung kann relativ zu einer Maximalfolge von Binärelementen, hier Magnetpolen, die ebenfalls in einem Abstand a hintereinander auf einer Geraden angeordnet sind, bewegt werden. In der Auswerteschaltung 8, 9 ist eine Auswahleinrichtung enthalten, der die Sensorsignale zugeführt werden und die den Zustand eines jeden Sensors erkennt. Die Auswahleinrichtung erzeugt daraus die logische Information 0 oder 1 für jeden Sensor. Es wird für jeden Sensor ein Vergangenheitswert gespeichert. Durch Vergleich zwischen den gespeicherten Vergangenheitswerten und den gemessenen Momentanwerten eines jeden Sensors erkennt die Auswahleinrichtung, ob der Sensor auf einer Flanke liegt oder nicht. Ist dies der Fall, so werden für die Auswertung die Meßwerte der Sensoren der anderen Reihe übernommen. Die Momentanwerte werden in die Vergangheitswertspeicher übernommen.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit vier Reihen von Hallsensoren 3 gezeigt. Die aufeinanderfolgenden Hallsensoren einer Reihe haben den Abstand a zueinander. Die Hallsensoren 3 der vier Reihen sind jeweils über eine Zuleitung 10, 11, 12, 13 mit der Regel- und Auswerteeinrichtung 8 verbunden. Der Bitabstand der gemessenen Positionen beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 1/4 a. Bei dieser Anordnung wird die Auflösung gegenüber der aus der Fig. 3 verdoppelt, so daß insgesamt gegenüber nur einer Reihe von Sensoren eine vierfache Auslösung erzielt wird. Es können in diesem Ausführungsbeispiel 4 (2^Z-1) Positionen bei Z Sensoren bestimmt werden. Diese Sensoranordnung wird über eine Anordnung von aufeinanderfolgenden Binärelementen im Abstand a bewegt.

Die Regel- und Auswerteeinrichtung 8 umfaßt ferner eine Decodiereinrichtung, welche jeder Reihe von Z, hier vier Detektoren eine 4-Bit lange Position zuordnet. Diese Position entspricht dem Index der 4-Bit-Folge in der Maximalfolge. Sie wird parallel ausgegeben, und die Positionen der Maximalfolge werden durchnumeriert. Pro Sensorreihe gibt es 2^Z-1 = 15 Positionen. Da die Auswahleinrichtung auch die Information angibt, welche Reihe von Sensoren zuletzt einen Flankenwechsel sah, wird die Auflösung der Maximalfolge verdoppelt, so daß sich daraus 2 (2^Z-1) = 30 Positionen ergeben.

Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionsbestimmung beschrieben. Der Magnetring 1 wird relativ zu den Hallsensoren 3 und um denselben Mittelpunkt M gedreht. Von der Takteinheit 9 wird ein Taktsignal zu den Hallsensoren 3 gegeben, so daß diese das momentane Magnetfeld einlesen. Die Hallsensoren 3 werden so angesteuert, daß die 7 zu der ersten Reihe gehörenden Sensoren und die 7 zu der zweiten Reihe gehörenden Sensoren das Magnetfeld jeweils einlesen. Die Signale der ersten Reihe werden über die Leitungen 6 und die Meßsignale der zweiten Reihe über die Leitungen 7 der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 zugeführt. Dort werden sie in Speicherelementen gespeichert, von denen jeweils eines einem Hallsensor 3 nachgeschaltet ist. Für jede Reihe von Hallsensoren 3 wird ein Vergangenheitswert gespeichert. Dieser wird bei der nächsten Messung mit dem entsprechenden Meßwert verglichen. Wird in einer Reihe von Hallsensoren eine Änderung hinsichtlich des Vergangenheitswert festgestellt, so wird daraus geschlossen, daß diese Reihe in der Nähe einer Poländerung des Magnetfeldes, d. h. einer Potentialflanke steht. Es wird dann von der Regel- und Auswerteeinrichtung 8 die andere Reihe der Hallsensoren zur Auswertung der Positionsbestimmung verwendet. Mit den sieben Hallsensoren 3 einer Reihe werden sieben Bit bestimmt, was einer Auflösung von 127 Bit pro Umdrehung entspricht. Die Information, welche Reihe von Sensoren 3 zur Positionsbestimmung verwendet wird, ergibt ein zusätzliches Bit an Information. Insgesamt können somit 254 Bit pro Umdrehung aufgelöst werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung
mit einer Folge von 2^Z-1 Binärelementen, die zumindest einen Teil einer Maximalfolge darstellen und jeweils einen festen Abstand a zueinander haben, mit einer ersten Reihe von Z Sensoren (3),
mit einer zweiten Reihe von Z Sensoren, die zu den Sensoren (3) der ersten Reihe versetzt angeordnet sind,
wobei mit den Sensoren (3) eine Meßgröße meßbar ist, mittels welcher die Position der Binärelemente (N, S) bestimmbar ist,
wobei die benachbarten Sensoren (3) einer Reihe jeweils den Abstand a zueinander haben, jedem der Sensoren (3) ein Speicherelement nachgeschaltet ist und die Sensoren (3) relativ zu den Binärelementen (N, S) bewegbar sind, und
mit einer Takteinheit (9), mit der die Sensoren (3) so ansteuerbar sind, daß die Sensoren (3) einer Reihe die Meßgröße in einer festen Position einlesen und an das Speicherelement weitergeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Reihen von Sensoren (3) vorgesehen sind, wobei die Sensoren (3) aller Reihen zueinander versetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3), die Speicherelemente und die Takteinheit (9) monolithisch integriert sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) Hallsensoren und die Binärelemente (N, S) Magnetpole sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) der verschiedenen Reihen abwechselnd hintereinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) einer Reihe jeweils auf einer Geraden angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Binärelemente (N, S) jeweils auf einer Geraden angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3) einer Reihe jeweils auf einem Kreisring (4) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Binärelemente (N, S) auf einem Kreisring (1) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Binärelemente (N, S) eine vollständige Maximalfolge bilden.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) monolithisch integriert ist.