DE19717364C1 - Verfahren zur Erkennung der Drehrichtung eines Rades mittels Hall-Sonden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen der Drehrichtung eines Rades mittels Hall-Sonden, die in der Umfangsrichtung des Rades angeordnet sind.

In zahlreichen Fällen wird gewünscht, nicht nur die Position und Geschwindigkeit eines sich drehenden Rades, wie beispiels­ weise eines Zahnrades, sondern auch die Drehrichtung des Rades zu erfassen. Es wird also allgemein ein Sensor angestrebt, der in der Lage ist, die Position, Geschwindigkeit und Drehrichtung eines Rades festzustellen.

Zur Erfassung der Position und Geschwindigkeit eines Zahnrades gibt es bereits einen differentiellen dynamischen Hall-Sensor, der das Differenzfeld zwischen zwei räumlich versetzten Hall- Sonden mißt und dann besonders gute Ergebnisse liefert, wenn die Phasenlage zwischen den beiden, von den zwei Hall-Sonden erzeugten Signalen 180° beträgt. In diesem Fall befindet sich nämlich eine Hall-Sonde über einem Zahn des Zahnrades, während die andere Hall-Sonde über einer Lücke zwischen zwei Zähnen des Zahnrades liegt. Mit einem derartigen differentiellen dynami­ schen Hall-Sensor ist aber eine Erkennung der Drehrichtung des Zahnrades nicht möglich.

Zur zusätzlichen Erkennung der Drehrichtung eines Zahnrades ist nämlich noch eine weitere Phaseninformation erforderlich, die durch zwei um 90° zueinander versetzte Hall-Sensoren zur Verfü­ gung gestellt werden kann, wie dies im folgenden unter Bezug­ nahme auf Fig. 5 und Fig. 6 erläutert wird.

Nach dem Sand der Technik werden beispielsweise zwei differen­ tielle dynamische Hall-Sensoren 1, 2 mit jeweils zwei Hall- Sonden 3, 4 bzw. 5, 6 um einen viertel Zahnabstand versetzt zu­ einander bezüglich der Zähne 7 eines Zahnrades 8 angeordnet, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, so werden Ausgangssignale 9, 10 von den Hall-Sensoren 1 und 2 erhalten, die um eine viertel Pe­ riode zueinander verschoben sind: Wie in Fig. 6 dargestellt ist, kann dann die Abfallflanke des Ausgangssignales 9 des Hall-Sensors 1 dazu verwendet werden, um das Ausgangssignal 10 des Hall-Sensors 2 abzutasten. Bei in der Fig. 6 für eine Dreh­ richtung des Zahnrades 8 von links nach rechts verlaufenden Si­ gnalen 9, 10 fällt dann die Abfallflanke des Ausgangssignals 9 immer mit einem positiven Wert des Ausgangssignals 10 des Hall- Sensors 2 zusammen, wie dies durch Pfeile 11 angedeutet ist.

Wird nun die Drehrichtung des Zahnrades 8 umgekehrt, so ändert sich auch die Phasenzuordnung: Dies kann so gedacht werden, daß die "Zeit" nunmehr rückwärts abläuft, so daß die Ausgangssigna­ le 9, 10 in der Fig. 6 von rechts nach links entstehen. Wird nun wieder das Ausgangssignal 10 des Hall-Sensors 2 mit der Ab­ fallflanke des Ausgangssignals 9 des Hall-Sensors 1 abgetastet, so wird ein Signal erhalten, das stets negativ ist, da die Ab­ fallflanke immer mit einem negativen Wert des Ausgangssignals 10 zusammenfällt, wie dies durch Pfeile 12 in Fig. 6 angedeutet ist.

Aus dem Vorzeichen des durch Abtastung des Ausgangssignals 10 mit dem Ausgangssignal 9 erhaltenen Signals kann also auf die Drehrichtung des Zahnrades 8 geschlossen werden. Es ist auch zu ersehen, daß eine um 90° versetzte Anordnung der Hall-Sensoren 1, 2 optimal ist, da dann ein maximaler Störabstand erhalten wird.

Aus der DE 89 09 677 U1 ist eine Dreherkennungsvorrichtung be­ kannt, bei der aus mindestens drei Hall-Sonden mittels zumin­ dest zwei Differenz-Hall-ICs jeweils digitale Signalfolgen ab­ geleitet werden. Zur genauen Drehzahlerkennung kann im Sinne einer höheren Auflösung die Frequenz des Ausgangssignales ge­ genüber der nur eines einzigen Differenz-Hall-IC's verdoppelt werden. Durch Phasenvergleich ist prinzipiell auch eine Dreh­ richtungserkennung möglich.

Aus der DE 41 04 902 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung einer Bewegungsrichtung, insbesondere einer Dreh­ richtung bekannt. Hierzu werden zwei um 90° phasenverschobene Signale, die aus zwei in Bewegungsrichtung einer Signalquelle versetzt angeordneten Empfängern abgeleitet werden, gebildet, indem die Ausgangssignale addiert und subtrahiert werden. Aus dem Vorzeichen der 90° Phasenverschiebung zwischen Summen- und Differenzsignal kann eindeutig die Drehrichtung bestimmt wer­ den. Dieses Verfahren ist jedoch sehr empfindlich auf magneti­ sche Gleichfelder. So kommt es zu einem Offset des Summensi­ gnals gegenüber dem Differenzsignal, welcher doppelt so groß wie das magnetische Gleichfeld ist, wodurch eine zuverlässige Weiterverarbeitung dieser Signale große Schwierigkeiten berei­ tet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Richtungserkennung der Drehrichtung eines Rades mittels Hall-Sonden anzugeben, das eine zuverlässige Drehrichtungser­ kennung ermöglicht, ohne auf eine exakte Abstimmung zwischen Zahnabstand und Hall-Sondenabstand angewiesen zu sein. Insbe­ sondere soll das Verfahren unempfindlich auf magnetische Gleichfelder sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs.

Zur Durchführung des Verfahrens werden eine erste, eine zweite und eine dritte Hall-Sonde so angeordnet, daß die zweite Hall- Sonde in der Mitte zwischen der ersten und der dritten Hall- Sonde angeordnet wird. Es werden zwei um 90° verschobene Aus­ wertesignale aus den Ausgangssignalen der ersten bis dritten Hall-Sonde gewonnen, wobei sich bei einer Änderung der Dreh­ richtung ein Vorzeichenwechsel des zweiten Auswertesignals in bezug auf das erste Auswertesignal ergibt.

Bei diesem Verfahren werden somit lediglich drei Hall-Sonden benötigt, die in einem Hall-Sensor untergebracht sein können. Mit diesem Sensor kann zuverlässig die Drehrichtung beispiels­ weise eines Zahnrades aus einem Vorzeichenwechsel des zweiten Auswertesignals ermittelt werden.

Nachfolgend wird das Verfahren mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines nach dem Stand der Technik bereits bekannten Sensors;

Fig. 2 Ausgangssignale der Hall-Sonden dieses bekannten Sensors;

Fig. 3 und 4 Schaltbilder der Auswerteelektronik zur Ge­ winnung der Auswertesignale nach dem hier be­ schriebenen Verfahren;

Fig. 5 eine Anordnung mit zwei Hall-Sen­ sore nach dem Stand der Technik, und

Fig. 6 Ausgangssignale der Hall-Sonden dieser bekannten Hall-Sensoren.

Die Fig. 5 und 6 sind bereits eingangs erläutert worden.

In den Fig. 1 bis 4 werden für entsprechende Bauteile die glei­ chen Bezugszeichen wie in den Fig. 5 und 6 verwendet.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Hall-Sensor 13, der Hall-Sonden 14, 15 und 16 aufweist, die in der Drehrichtung des Zahnrades 8 angeordnet sind, wobei die Hall-Sonde 15 in der Mitte zwischen den Hall-Sonden 14 und 16 vorgesehen ist. Die Hall-Sonden 14 bis 16 liefern bei Drehung des Zahnrades 8 Ausgangssignale S1 bis S3 (vergleiche Fig. 2), welche annähernd sinusförmig sind und deshalb auch so im folgenden behandelt werden. Der Hall- Sensor 14 liefert also das Ausgangssignal S1, das bei Durchgang des Zahnes 7 vor dem Hall-Sensor 14 einen Maximalwert hat, wäh­ rend eine Lücke zwischen den Zähnen 7 einen Minimalwert für die Ausgangssignal S1 ergibt. Gleiches gilt für das Ausgangssignal S2 der Hall-Sonde 15 bzw. für das Ausgangssignal S3 der Hall- Sonde 16.

Die Ausgangssignale S1 bis S3 können ohne weiteres mit Hilfe eines Komparators digitalisiert werden, so daß die Signale S1 bis S3 einen Verlauf entsprechend den Ausgangssignalen 9 und 10 in Fig. 6 annehmen. Im folgenden soll aber davon ausgegangen werden, daß die Signale analog weiterverarbeitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erstes Auswertesi­ gnal A aus der Subtraktion des Ausgangssignals S3 vom Ausgangs­ signal S1 gewonnen. Ebenso wird ein zweites Auswertesignal B aus der Addition des Ausgangssignals S3 zum Ausgangssignal S1 und der Subtraktion des doppelten Ausgangssignals S2 von dieser Summe erhalten. Mit anderen Worten, es gelten die folgenden Be­ ziehungen für die Auswertesignale A und B:

A = S1-S3

B = S1 + S3-2.S2 (1)

Für die Signale S1 bis S3 wird nun der oben vorausgesetzte si­ nusförmige Verlauf angenommen, wobei das Signal S2 um die Phase p und das Signal S3 um die Phase 2p zu dem Signal S1 verschoben sind. Mit t = Zeit und w = Winkelgeschwindigkeit des Zahnrades 8 ergibt sich dann:

S1 = sin(w.t)
S2 = sin(w.t + p)
S3 = sin(w.t + 2.p) (2)

Aus dem Gleichungssystem (2) werden nach einigen Umformungen mit Hilfe der Gleichungen (1) die folgenden Beziehungen abge­ leitet:

A = -2.sin(p).cos(w.t + p) (3)

B = 2.(cos(p)-1).sin(w.t + p) (4)

Aus den Gleichungen (3) und (4) ist zu ersehen, daß die beiden Auswertesignale A und B unabhängig von dem Wert der Phase p im­ mer eine Phasenverschiebung von 90° zueinander aufweisen. Das heißt, unabhängig davon, ob der Hall-Sensor 13 genau zu dem Zahnrad 8 paßt, entsteht immer ein "Phasensystem" mit 90°, bei dem im Nulldurchgang der Schwingung des einen Auswertesignals die Schwingung des anderen Auswertesignals ihr Maximum annimmt.

So ist beispielsweise bei einem ansteigenden Nulldurchgang des Auswertesignals A der Wert cos(w.t + p) = 0 gegeben, während im Auswertesignal B dann der Wert sin(w.t + p) = 1 vorliegt.

Dennoch ist eine möglichst genaue Abstimmung zwischen dem Ab­ stand der Hall-Sonden des Hall-Sensors 13 und den Abständen der Zähne 7 des Zahnrades 8 von Vorteil, da dann die Schwin­ gungsamplituden der Auswertesignale A und B ihr Maximum anneh­ men.

Wird nun, wie oben erläutert, berücksichtigt, daß einer Umkeh­ rung der Drehrichtung des Zahnrades 8 ein Vorzeichenwechsel der Zeit entspricht, so werden aus den Gleichungen (3) und (4) die folgenden Beziehungen erhalten:

A = -2.sin(p).cos(w.t-p) (5)

B = -2.cos((p)-1).sin(w.t-p) (6)

Die so entstehenden Signale sind also sehr ähnlich zu den Si­ gnalen entsprechend den Gleichungen (3) und (4), wobei ein Un­ terschied lediglich in dem negativen Vorzeichen im Signal B vorliegt. Dies bedeutet aber, daß bei Abtastung im Nulldurch­ gang des Signals A das Vorzeichen des Signals B im Vergleich zu vorher bei einer Umkehr der Drehrichtung invertiert ist, so daß eine eindeutige Richtungserkennung aus dem Vorzeichen des Aus­ wertesignals B in bezug auf das Auswertesignal A feststellbar ist. Schaltungstechnisch kann dies beispielsweise mit einem D-Flip-Flop realisiert werden, bei welchem nach einer Digitali­ sierung das Signal A am Takt-Eingang und das Signal B am D-Eingang anliegen.

Das Verfahren ermöglicht also mit lediglich drei Hall-Sonden auf einem Hall-Sensor eine zuverlässige Erkennung der Umkehr der Drehrichtung eines Zahnrades.

Für die Erzeugung der Auswertesignale A und B können an sich ohne weiteres Operationsverstärker-Schaltungen eingesetzt wer­ den. Es sind aber auch Transistorschaltungen möglich, wie diese in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind. In diesen Fig. 3 und 4 bedeu­ tet S1p und S1n die Ausgangssignale der Hall-Sonde 14, S2p und S2n die Ausgangssignale der Hall-Sonde 15 und S3p und S3n die Ausgangssignale der Hall-Sonde 16.

In der Schaltung von Fig. 3 mit den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 wird das Ausgangssignal A erhalten, während mit der Schal­ tung von Fig. 4 mit den Ausgangsanschlüssen 19 und 20 das Aus­ wertesignal B gewonnen wird.

In den Schaltungen der Fig. 3 und 4 sind die Hall-Sonden 14, 15, 16 mit den jeweiligen Differenzverstärkern dieser Schaltungen so verschaltet, daß zur Ansteuerung nur Differenzfelder heran­ gezogen werden, während eine große überlagerte magnetische Vor­ spannung nur eine Gleichtaktverschiebung bewirkt, die wirksam und ohne nennenswerte Nebeneffekte unterdrückt wird.

Schaltungen, die zu den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Schaltun­ gen ähnlich sind, wurden bereits beschrieben. Selbstverständ­ lich können aber auch andere Schaltungen zur Gewinnung der Aus­ wertesignale A und B herangezogen werden, wozu bereits oben auf die entsprechenden Operationsverstärker-Schaltungen hingewiesen wurde.

Claims (1)

1. Verfahren zum Erkennen der Drehrichtung eines Rades (8) mit­ tels Hall-Sonden (14, 15, 16), die in der Umfangsrichtung des Rades (8) angeordnet sind, über zueinander phasenverschobene Auswertesignale, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß eine erste, zweite und dritte Hall-Sonde (14, 15, 16) nach­ einander angeordnet werden, wobei die zweite Hall-Sonde (15) in der Mitte zwischen der ersten und der dritten Hall-Sonde (14, 16) angeordnet wird, und jeweils ein Ausgangssignal (S1, S2, S3) der ersten bis dritten Hall-Sonden (14, 15, 16) ge­ wonnen wird,
   • - daß zwei Auswertesignale (A, B) aus den Ausgangssignalen (S1, S2, S3) der drei Hall-Sonden (14, 15, 16) gewonnen werden, wobei zur Gewinnung des ersten Auswertesignals (A) das Aus­ gangssignal (S3) der dritten Hall-Sonde (16) vom Ausgangs­ signal (S1) der ersten Hall-Sonde (14) subtrahiert wird, und wobei zur Gewinnung des zweiten Auswertesignals (B) das Aus­ gangssignal (S1) der ersten Hall-Sonde (14) zum Ausgangs­ signal (S3) der dritten Hall-Sonde (16) addiert und von der so erhaltenen Summe das doppelte Ausgangssignal (S2) der zweiten Hall-Sonde (15) subtrahiert wird,
   • - daß eines der Auswertesignale (A, B) im Nulldurchgang abgeta­ stet wird, und
   • - daß das Vorzeichen des jeweils anderen Auswertesignals (A, B) überprüft wird, wobei jedem Vorzeichen in Bezug auf das im Nulldurchgang abgetastete Auswertesignal jeweils eine Dreh­ richtung fest zugeordnet ist.