DE19722016A1 - Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung - Google Patents

Anordnung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung

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    • F02P7/07—Hall-effect pick-up devices

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.
Stand der Technik
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.
Zeichnung
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.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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