DE19722016A1 - Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung - Google Patents
Anordnung zur berührungslosen DrehwinkelerfassungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen
Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elements, insbesonders
einer Welle einer Brennkraftmaschine, bei der unter
Auswertung von magnetisch beeinflußbaren elektrischen
Eigenschaften in einem Sensor eine vom drehbaren Element
erzeugte oder beeinflußte magnetische Feldstärke detektiert
wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Anordnungen dieser Art, mit denen eine Drehwinkelerfassung
durchführbar ist, sind beispielsweise aus der
DE-OS 195 43 562 bekannt. Bei diesen Anordnungen ist mit
der drehbaren Welle, deren Winkelstellung ermittelt werden
soll, ein Magnet verbunden. Das Magnetfeld, das sich mit dem
Drehwinkel der Welle ändert, wird mit Hilfe zweier
Sensorelemente gemessen. Diese Sensorelemente sind entweder
zwei Hallsensorelemente, die gegeneinander um einen Winkel
von 90° verdreht sind oder zwei magnetoresistive
Sensorelemente, die gegeneinander um 45° verdreht sind. Die
Sensorelemente werden mit gegeneinander in geeigneter Weise
phasenverschobenen Wechselspannungssignalen versorgt. Die
Überlagerung der Ausgangssignale der Sensorelemente ergibt
einen Signalverlauf, der repräsentativ ist für die
Winkelstellung. Durch geeignete Verknüpfung der Signale der
beiden Sensorelemente läßt sich eine Winkelmessung über
einen Winkelbereich von 360° gewinnen. Eine spezielle
Anwendung der bekannten Anordnung zur berührungslosen
Drehwinkelerfassung stellt die Erfassung der Winkelstellung
der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine dar.
Die in der DE-OS 195 43 562 beschriebenen Anordnungen zur
berührungslosen Drehwinkelerfassung weisen jeweils zwei
gleichartige Sensorelemente auf. Dies kann zu Nachteilen
führen, da Hallsensoren beispielsweise eine große
Temperaturabhängigkeit und eine große Druckabhängigkeit
aufweisen. Magnetoresistive Sensorelemente weisen dagegen
bezüglich der Temperatur und Druckabhängigkeit bessere
Eigenschaften auf, sie sind weniger temperatur- und
druckabhängig als Hallsensoren, haben jedoch den Nachteil,
daß aufgrund des physikalischen Effekts nur ein
Winkelbereich von 180° eindeutig erfaßt werden kann. Ein
solcher Winkelbereich ist bei der Erfassung der Stellung der
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu gering.
Da mit der vorliegenden Erfindung insbesonders der
Drehwinkel der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine erfaßt
werden soll, soll im folgenden zunächst die Problemstellung
bei der Nockenwellenwinkelerfassung dargelegt werden.
Um den Anforderungen an die Funktionalität moderner
Motorsteuerungen gerecht zu werden, muß die Drehzahl und die
Winkelstellung von Kurbel- und Nockenwelle jederzeit
hochgenau erfaßt werden. Zur Drehzahlerfassung an der
Kurbelwelle wird beispielsweise eine Geberscheibe mit 60-2
Winkelmarken eingesetzt, die mit der Kurbelwelle rotiert und
von einem Sensor abgetastet wird, wobei als Sensor ein
Sensor eingesetzt wird, der unter Ausnutzung des Induktiv-,
Magnetoresistiv- oder Halleffekts arbeitet.
Damit ausreichende Informationen über das aktuelle
Arbeitsspiel des Motors erhalten werden können, muß
zusätzlich die absolute Nockenwellenstellung (NW-Stellung)
ermittelt werden. In heutigen Motorsteuerungssystemen werden
die Nockenwellen-Stellungen segmentweise erfaßt. Dabei wird
eine Scheibe, die mit der Nockenwelle rotiert und
beispielsweise eine Winkelmarke pro Zylinder aufweist, mit
Hilfe eines Sensors abgetastet. Dieser Sensor gibt ein
Ausgangssignal ab, das mehrmals pro Nockenwellenumdrehung
einen Impuls aufweist, dadurch erhält man eine aktuelle
winkelgenaue Information über die Nockenwellenstellung immer
an den Segmentgrenzen, also an den Stellen, an denen Impulse
im Nockenwellensensorsignal auftreten. In den
Winkelstellungen zwischen den Segmentgrenzen steht eine
absolute winkelgenaue Information bezüglich der
Nockenwellenstellung nicht zur Verfügung.
Mit einer kontinuierlichen Drehwinkelerfassung an der
Nockenwelle kann eine Verbesserung des Motorsteuersystems
erzielt werden, da im Steuergerät zu jedem Zeitpunkt die
aktuelle Winkelinformation zur Verfügung steht. Damit kann
die Funktionalität bestehender Motorsteuerungsfunktionen
verbessert werden und es lassen sich gegebenenfalls
zusätzliche Funktionen realisieren. Mit einer solchen
kontinuierlichen Drehwinkelerfassung an der Nockenwelle läßt
sich beispielsweise eine schnelle Diagnose des
Drehzahlgebers durchführen, es ist eine einfache und
schnelle Diagnose des Absolutwinkelgebers selbst möglich
durch Überprüfung der Plausibilität des Signales. Weiterhin
lassen sich sichere und einfache Starterkennungen
durchführen. Das Abwürgen des Motors sowie eine
Unterdrehzahl lassen sich sicher erkennen, eine
Drehrichtungserkennung wird möglich und eine schnellere
Synchronisation bei Schnellstartvorgängen ist realisierbar.
Auch ein besserer Drehzahlgebernotlauf ist durchführbar und
ein Direktstart des Motors ist nur unter Verwendung eines
Absolutwinkelgebers möglich. Ein solcher Absolutwinkelgeber,
mit dem die Winkelstellung der Nockenwelle jederzeit
ermittelbar ist, läßt sich mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung realisieren. Es läßt sich durch Verwendung des
erfindungsgemäßen Sensor als Nockenwellensensor demnach ein
Motorsteuersystem aufbauen, das sich durch einen besseren
Schnellstart auszeichnet, wodurch die Batterie, der Starter
und die Lichtmaschine weniger belastet werden und daher
kleiner dimensioniert werden können. Durch zuverlässige
Drehrichtungserkennung wird das Vermeiden von
Saugrohrpatschern möglich, dadurch kann beispielsweise das
Saugrohr und die Drosselklappe des Motors mit geringeren
Anforderungen spezifiziert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur berührungslosen
Drehwinkelerfassung läßt sich in vorteilhafter Weise eine
Winkelerfassung durchführen, die eine geringe
Temperaturabhängigkeit und eine geringe Druckabhängigkeit
aufweist und gleichzeitig eine gute Auflösung ermöglicht. Es
ist in vorteilhafter Weise möglich, über einen Winkel von
360° zu messen, so daß auch besonders vorteilhafter Einsatz
bei der absoluten Winkelmessung der Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine möglich ist.
Erzielt werden diese Vorteile, indem der Winkelsensor eine
Kombination des Hall- und magnetoresistiven Effekts
ausnutzt. Dazu werden zwei Sensorelemente eingesetzt, wobei
eines nach dem Hallprinzip und eines nach dem
magnetoresistiven Prinzip arbeitet. Eine solche Kombination
von Sensorelementen ermöglicht es, die Vorteile des
Hallprinzips und des magnetoresistiven Prinzips voll
auszunutzen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den
Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 die Anordnung der
Sensorelemente bei einem Beispiel zur Erfassung der
Winkelstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine.
In Fig. 2 sind Signalverläufe über 360° Winkelstellung
dargestellt. Die Fig. 3 zeigt ein Layout eines
magnetoresistiven Winkelsensors und Fig. 4 eine zugehörige
Auswerteschaltung, die aus der DE-OS 195 43 562 bekannt
ist.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung dargestellt. Dabei soll die Winkelstellung der
drehbaren Welle 10, beispielsweise der Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine ermittelt werden. Mit der Welle 10 ist
eine Scheibe 11 verbunden, die z. B. zylinderförmig
ausgestaltet ist und zwei Magnete 12, 13 bzw. einen
Magneten, dessen Pole über die Scheibe magnetisch gekoppelt
sind aufweist, deren Polarität bzw. Anordnung so ist, daß
sich ein näherungsweise homogenes Magnetfeld 14 zwischen den
Magneten ausbildet. Dieses Magnetfeld dreht sich mit der
Welle 10.
Der sensitive Bereich des feststehenden Drehwinkelsensors 15
umfaßt die beiden Sensorelemente IC1 und IC2, die sich auf
einem Träger 16 befinden. Gehalten wird der Drehwinkelsensor
15 mittels einer Sensorhalterung 17.
Das Sensorelement IC1 enthält ein sensitives Element, das
unter Ausnutzung des magnetoresistiven Effekts zur
Ermittlung des Winkels zwischen Magnetfeld und
Drehwinkelsensor arbeitet. Da aufgrund der physikalischen
Eigenschaften, die dem magnetoresistiven Effekt
zugrundeliegen, nicht der ganze Winkelbereich von 360°
abgedeckt werden kann, werden vom Sensorelement IC1 zwei
Bereiche mit je 180° erfaßt. Diese Bereiche werden als
Winkelbereich W1 und Winkelbereich W2 bezeichnet und im
Zusammenhang mit Fig. 2 verdeutlicht.
Das Sensorelement IC2 enthält die Auswerteschaltung für das
magnetoresistive Element IC1 und zusätzlich eine sensitive
Einheit, die nach dem Halleffekt arbeitet. Diese sensitive
Einheit dient zur Erkennung der Bereiche, in dem der
Winkelsensor arbeitet, also Erkennung des Winkelbereichs W1
bzw. des Winkelbereichs W2. Sensitive Einheiten, die nach
dem Halleffekt arbeiten, werden beispielsweise in der
DE-OS 195 43 562 näher beschrieben.
Mit der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung zur
berührungslosen Drehwinkelerfassung werden Signalverläufe
erhalten, wie sie in Fig. 2a und b dargestellt sind. Der
Signalverlauf, also die Ausgangsspannung UM des
magnetoresistiven Elements IC1 ist nach der Verarbeitung in
der Auswerteschaltung nach Fig. 4 proportional zum Winkel α
und steigt von 0 auf einen vorbestimmten Wert an. Bei einem
Winkel von 180° springt das Signal vom Maximalwert auf Null
und steigt anschließend wieder linear an, bis zum Winkel von
360°.
Das Hallelement IC2 liefert nach einer Signalaufbereitung
einen digitalen Spannungspegel UH, wobei bei der
Signalaufbereitung jeweils beim Nulldurchgang der
sinusförmigen Hallspannung UHS umgeschaltet wird. Der
aufbereitete Signalverlauf des Hallelements ist demnach
zwischen 0 und 180° high und zwischen 180° und 360° low.
Durch Verknüpfung der beiden in Fig. 2a und b dargestellten
Signale kann in einem Winkelbereich von 360° eine eindeutige
Winkelbestimmung durchgeführt werden. Die Spannung des
Signalverlaufs nach Fig. 2a entspricht einem Winkel, der
zwischen 0° und 180° liegt, dabei entspricht 0 V gleich 0°
und Maximalspannung gleich 180°. Aufgrund der Eigenschaften
des magnetoresistiven Effekts und der Auswerteschaltung
wiederholt sich dieser Verlauf innerhalb einer vollständigen
Umdrehung der Welle (beispielsweise der Nockenwelle)
zweimal. Wird das Hallelement so ausgelegt, daß an seinem
digitalen Ausgang zwischen 0° und 180° eine 1 anliegt
(Signal ist high) und bei einem Winkel zwischen 180° und
360° eine 0 (Signal ist low) läßt sich ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen Spannung und Winkel über den gesamten
Bereich herstellen. Liegt der Pegel des Signalverlaufes des
Hallelements auf 0, wird zum Winkelergebnis des
Signalverlaufes des magnetoresistiven Sensors ein Winkel von
180° addiert, um den tatsächlichen absoluten Winkel zu
erhalten. Entspricht beispielsweise der Signalverlauf nach
Fig. 2a einem Winkel von 57° und ist der Pegel des
Signalverlaufs nach Fig. 2b auf 0, ist die tatsächliche
Winkelstellung 180° + 57° = 237°.
In den Winkelbereichen 0°, 180° und 360°, also jeweils an
den Umschaltgrenzen ist das Ergebnis der Winkelbestimmung
zweideutig. Bei einer reinen Winkelmessung ist es daher
erforderlich, die Meßwerterfassung in diesen Bereichen zu
unterdrücken. Wird die erfindungsgemäße Anordnung zur
berührungslosen Drehwinkelerfassung in Verbindung mit der
Winkelbestimmung der Nockenwelle eines Motors eingesetzt,
spielt die Zweideutigkeit bei der Winkelerfassung an der
Umschaltgrenze nur während der Anlaufphase des Motors eine
Rolle. Werden die Umschaltgrenzen des Winkelsensors so
festgelegt, daß sie in die oberen Totpunkte des Motors
fallen, dann ist die Zweideutigkeit in der Praxis nicht mehr
relevant, da ein Motor unter normalen Bedingungen nicht im
oberen Totpunkt stehenbleibt und somit auch nicht aus dem
oberen Totpunkt heraus anlaufen muß.
Der Aufbau eines magnetoresistiven Sensorelements ist in
Fig. 3 dargestellt und in Fig. 4 ist die zugehörige
Auswerteschaltung angegeben. Da sowohl das Sensorelement als
auch die Auswerteschaltung aus der DE-OS 195 43 562 bereits
prinzipiell bekannt sind, soll an dieser Stelle auf eine
nähere Beschreibung verzichtet werden. Prinzipiell besteht
das magnetoresistive Sensorelement aus zwei Einzelelementen,
die gegeneinander um einen Winkel von 45° verdreht sind und
miteinander über eine Verbindung gekoppelt sind. Die beiden
Sensorelemente weisen die entsprechenden Anschlüsse auf und
können, wie in Fig. 2b dargestellt, auch übereinander
angeordnet sein. Den beiden Sensorelementen werden die
gegeneinander um 90° phasenverschobenen Spannungen bzw.
Ströme U2, U1 bzw. I2, I1 zugeführt. Nach der
Signalaufbereitung entsteht die Ausgangsspannung UM, die
proportional zum Magnetisierungswinkel bzw. dem zu messenden
Winkel α ist.
Das Hallelement ist nicht explizit dargestellt. Es ist auf
demselben integrierten Schaltkreis IC1 wie die
Auswerteschaltung untergebracht. Das Hallelement kann auf
einfachste Weise ausgelegt sein, da es keine lineare
Kennlinie liefern muß, sondern lediglich zur Unterscheidung
der Winkelbereiche dient und ein digitales Ausgangssignal
liefern soll, bei dem eine 1 den Winkelbereich W1 und eine 0
den Winkelbereich W2 charakterisiert. Die einfache
Ausführung und die Zusammenlegung mit der Auswerteschaltung
ermöglicht eine kostengünstige Realisierung.
Da magnetoresistive Elemente den Magnetfeldanteil in
Richtung der Chipebene und die Hallelemente den
Magnetfeldanteil senkrecht zur Chipebene erfassen, muß das
Chip des magnetoresistiven Elements senkrecht zu dem Chip
des Hallelements stehen. Diese Anordnung ist in Fig. 1
dargestellt. Das Chip IC1 mit dem magnetoresistiven Element
und das Chip IC2 mit der Auswerteschaltung und dem
Hallelement oder den Hallelementen können getrennt mit
unterschiedlichen Fertigungsverfahren erstellt werden,
wodurch eine effektive Fertigung möglich ist. Mit Chip IC2
ist nach dem Zusammenbau also das Hallelement, das in Fig.
1 als kleines Rechteck dargestellt ist und die darunter als
großes Rechteck dargestellte Auswerteschaltung A gemeint.
Die getrennt gefertigten Chips werden miteinander durch
Leiterbeinchen, die um 90° gebogen sind, verbunden. Es
entsteht so für die weitere Verarbeitung eine einfach zu
handhabende Einheit. Die Trennung von magnetoresistivem
Element und Auswerteschaltung und die Verbindung mit
Leiterbeinchen ermöglichen eine optimale Integration in den
speziellen integrierten Schaltkreisen IC1 und IC2.
Claims (7)
1. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines
drehbaren Elements, bei der unter Auswertung von magnetisch
beeinflußbaren Eigenschaften einer Sensoranordnung mit
wenigstens zwei Sensorelementen eine vom drehbaren Element
erzeugte oder beeinflußte magnetische Feldstärke in einer
Auswerteschaltung detektierbar ist und zur Ermittlung der
Drehlage herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Sensorelement unter Ausnutzung des magnetoresistiven Effekts
und das andere unter Ausnutzung des Halleffekts arbeitet und
die von den beiden Sensorelementen abgegebenen Signale
miteinander kombiniert werden.
2. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische
Feldstärke mit Hilfe wenigstens eines Magneten erzeugt wird,
der mit dem drehbaren Element rotiert, daß die beiden
Sensorelemente mit einer feststehenden Sensorhalterung
verbunden sind und gegeneinander einen Winkel von etwa 90°
aufweisen.
3. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Sensorelemente IC1 und IC2 so angeordnet sind, daß die
magnetischen Feldlinien etwa parallel zum Sensorelement IC1
liegen und das Sensorelement IC2 senkrecht durchdringen.
4. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Sensorelement IC1 nach dem magnetoresistiven
Effekt arbeitet und zur Ermittlung des Winkels zwischen dem
Magnetfeld und dem Drehwinkelsensor dient, daß das zweite
Sensorelement IC2 nach dem Halleffekt arbeitet und
zusätzlich die Auswerteschaltung für das erste Sensorelement
mit umfaßt und zur Erkennung der Bereiche, in denen der
Winkelsensor arbeitet, dient.
5. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das nach dem magnetoresistiven Effekt arbeitende
Sensorelement eine Aufbereitungsschaltung umfaßt, die ein
lineares Ausgangssignal abgibt, das sich nach jeweils 180°
Winkelstellung wiederholt und das zweite Sensorelement IC2
ein Signal abgibt, das zwischen 0 und 180° high und zwischen
180° und 360° low ist.
6. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung,
dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element eine Welle
einer Brennkraftmaschine, insbesonders die Nockenwelle ist.
7. Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung nach
Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung
und die Nockenwelle der Brennkraftmaschine so zueinander in
Bezug gesetzt waren, daß in den Umschaltbereichen des
Sensors bei Winkeln von etwa 0°, 180° und 360° eine
Nockenwellenstellung vorliegt, bei der die Kolben der
Brennkraftmaschine in der Nähe ihrer OT-Punkte liegen.
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