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