DE19737142C2

DE19737142C2 - Anordnung zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes und Verfahren zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mittels einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE19737142C2
Application number: DE1997137142
Authority: DE
Inventors: Luc Jansseune
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: DE19737142A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mit einem an das Meßob jekt gekoppelten Magneten, zwei Magnetfeldsensoren, einer Um rechnungseinheit, einer Speichereinheit, einer Auswerteein heit und einer Ausgabeeinheit sowie ein Verfahren zur zweidi mensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mittels ei ner solchen Anordnung.

Mittels der bekannten Weglängen- und Winkelmeßsysteme können im wesentlichen lediglich eindimensionale Bewegungen erfaßt werden. Gemäß der aus DE 37 08 104 A1 bekannten Positionsmeß vorrichtung ist für eine mehrdimensionale Erfassung von Bewe gungen eine Vielzahl von Sensoren erforderlich, von denen mindestens einer entweder direkt oder über einen geeigneten Mechanismus an das Meßobjekt gekoppelt ist. Im Fall einer di rekten Kopplung eines Sensors an das Meßobjekt sind zur Über tragung der Sensorsignale zusätzliche Meßleitungen erforder lich.

Der Erfindung liegt daher das Ziel zugrunde, eine berührungs lose analoge Abtasteinrichtung zur zweidimensionale Positi onserfassung eines Meßobjektes zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Anordnung zur zweidimen sionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mit

- einem an das Meßobjekt koppelbaren, im wesentlichen fla chen, quaderartigen Magneten aus einem hartmagnetischen Werkstoff, wobei die Magnetisierungsrichtung des Magneten parallel zu einer ersten Bewegungsachse des Meßobjektes verläuft, und wobei sich die Grundseite des Magneten paral lel zum Bewegungsbereich des Meßobjektes erstreckt,
- einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensor, welche auf einer zur Grundseite des Magneten parallelen Fläche ange ordnet sind, zur Erfassung der durch den Magneten hervorge rufenen Normalkomponente des Magnetfeldes senkrecht zur Grundseite des Magneten, wobei die beiden Sensoren
entlang der ersten Bewegungsachse denselben Abstand zum Meßobjekt,
entlang einer zweiten Bewegungsachse, welche im Bewe gungsbereich des Meßobjektes senkrecht zur ersten Be wegungsachse verläuft, einen festen Abstand zueinander und
zur Grundseite des Magneten denselben festen Abstand aufweisen,
- einer Umrechnungseinheit, welche an die beiden Sensoren ge koppelt ist und einer Aufbereitung von Sensormeßwerten dient,
- einer Speichereinheit, in welcher die Normalkomponente des Magnetfeldes als Kennfeld bzw. in Form von Kennlinien abge legt ist,
- einer Auswerteeinheit und
- einer Ausgabeeinheit erreicht.

Vorzugsweise sind die Magnetfeldsensoren in einer Ruhe- bzw. Ursprungslage des Meßobjektes entlang der zweiten Bewegungs achse in einem Bereich angeordnet, in dem die Normalkomponen te des Magnetfeldes entlang der ersten Bewegungsachse ein Ma ximum aufweist, welches mindestens der Hälfte des absoluten Maximalbetrages der Normalkomponente entspricht. Der Grund dafür besteht darin, daß das gespeicherte Kennfeld, welches den über die Grundebene des Magneten aufgetragenen Verlauf der betrachteten Normalkomponente des Magnetfeldes wieder gibt, in diesem Bereich in guter Näherung die Gestalt einer schiefen Ebene aufweist, wodurch die Auswertung der durch die Sensoren gewonnenen Meßwerte erleichtert wird.

Vorzugsweise ist der Magnet aus einem kunststoffgebundenen Material oder einem hartmagnetischen Material, welches sich leicht verformen läßt, gefertigt. Die Verwendung von Magneten aus seltene Erden Verbindungen oder gesinterten Werkstoffen ermöglicht ebenfalls eine kreissegmentartige Krümmung des Ma gneten entlang einer der beiden oder entlang beider Bewe gungsachsen des Meßobjektes, wodurch in einem begrenzten Win kelbereich auch die Auswertung translatorischer und rotatori scher Bewegungen bzw. rotatorischer Bewegungen um zwei Rota tionsachsen möglich ist. Unter dieser Voraussetzung lassen sich jeweils zwei Koordinaten in einem dreidimensionalen Raum bestimmen. Dabei ist es möglich, der Koordinatenbestimmung ein kartesisches Koordinatensystem, ein Polarkoordinatensy stem oder ein Kugelkoordinatensystem zugrunde zu legen. Im Sinne einer platzsparenden und kostengünstigen Realisierung der beschriebenen Meßanordnung sind die Magnetfeldsensoren vorzugsweise durch Hall-Sensoren realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung mit einem Quadermagnet und zwei Ma gnetfeldsensoren, welche den grundlegenden Aufbau einer er findungsgemäßen Anordnung verdeutlicht,

Fig. 2 einen typischen Verlauf einer Normalkomponente eines durch einen Magneten gemäß Fig. 1 hervorgerufenen Magnetfel des senkrecht zur Grundebene des Magneten als dreidimensiona les Kennfeld,

Fig. 3 einen Schnitt entlang einer ersten Bewegungsachse durch ein Kennfeld gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Kennfeld gemäß Fig. 2 ent lang einer zweiten Bewegungsachse,

Fig. 5 eine durch Umrechnung der Kennlinie aus Fig. 4 her vorgegangene Kennlinie,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anord nung zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßob jektes und

Fig. 7 ein gegenüber Fig. 6 abgewandeltes Prinzipschaltbild mit zwei Magnetfeldsensoren, einem Analog-Digital-Wandler, einem Ausgabepuffer und einem Prozessor.

Fig. 1 zeigt einen Quadermagneten 1, welcher an ein nicht näher dargestelltes Meßobjekt gekoppelt ist, und zwei ortsfe ste Magnetfeldsensoren S1 und S2. Die Magnetisierungsrichtung M des flachen Quadermagneten 1 verläuft parallel zu einer er sten Bewegungsachse X des Meßobjektes. Senkrecht zur ersten Bewegungsachse X des Meßobjektes und parallel zur Grundebene des Magneten 1 verläuft eine zweite Bewegungsachse Y des Meß objektes. Wie nachfolgend noch erläutert wird, begrenzen die Länge X_M und die Breite Y_M des Magneten 1 den durch die Sen soren S1 und S2 erfaßbaren Bewegungsbereich des Meßobjektes. Die beiden Magnetfeldsensoren S1 und S2 sind in einer zur Grundebene des Magneten 1 parallelen Ebene angeordnet. Ent lang der ersten Bewegungsachse X des Meßobjektes weisen beide Sensoren S1 und S2 denselben Abstand zum Meßobjekt auf, wäh rend sie entlang der zweiten Bewegungsachse Y um einen Ab stand D_S zueinander versetzt sind. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche Meßwerte gewonnen, welche die Stärke des durch den Quadermagneten 1 hervorgerufenen Magnetfeldes an zwei voneinander verschiedenen Meßpunkten wiedergeben.

Fig. 2 zeigt einen typischen Verlauf einer durch den Quader magneten 1 hervorgerufenen Normalkomponente eines Magnetfel des senkrecht zur Grundebene des Magneten 1 entlang beider Bewegungsachsen X und Y des Meßobjektes als durch die Senso ren S1 und S2 meßbares dreidimensionales Kennfeld H_XY. Die Schmalseiten des Magneten 1 erstrecken sich parallel zu den Bewegungsachsen X resp. Y. Neben der geometrischen Form des Magneten 1 beeinflußt der Abstand zwischen einem durch die Lage eines Sensors S1 bzw. S2 bestimmten Meßpunkt und dem Magnet 1 entlang einer dritten zu den beiden Bewegungsachsen X und Y senkrechten Achse Z die Gestalt des Kennfeldes H_XY. Deswegen gilt der Verlauf des Kennfeldes H_XY nur für einen konstanten Abstand zwischen Meßpunkt und Magnet 1 entlang der dritten Achse Z.

Die Normalkomponente des Magnetfeldes nimmt in einem mittle ren Bereich des Magneten 1 entlang der ersten Bewegungsachse X einen quasi-sinusförmigen Verlauf an (siehe auch Fig. 3), wobei der Betrag der Normalkomponente entlang der zweiten Be wegungsachse Y an den Randbereichen des Magneten 1 stark ab nimmt (siehe auch Fig. 4). Die maximale Abtastbreite Y_T ist daher durch die Ausdehnung dieses Bereiches entlang der zwei ten Bewegungsachse Y bestimmt, während die maximale Abtast länge X_T durch den Abstand zwischen Minimum und Maximum des Kennfeldes H_XY entlang der ersten Bewegungsachse X begrenzt ist. Der durch die maximale Abtastbreite Y_T und die maximale Abtastlänge X_T definierte Abtastbereich geht entlang der zweiten Bewegungsachse Y etwas über den Bereich hinaus, in dem das Kennfeld H_XY einen sinusartigen und von der Position des Meßpunktes entlang der zweiten Bewegungsachse Y weitge hend unabhängigen Verlauf annimmt (siehe auch Fig. 4). Prin zipiell ist der Abtastbereich damit annähernd durch die Grundfläche des Quadermagneten 1 gegeben.

Innerhalb eines mittleren Bereiches des Magneten 1 entlang der ersten Bewegungsachse X nimmt die Normalkomponente des Magnetfeldes einen Verlauf an, welcher weitestgehend unabhän gig von der Position des Meßpunktes entlang der zweiten Bewe gungsachse Y ist (siehe auch Fig. 4). Die Lage der Sensoren S1 und S2 und der Abstand DS der Sensoren S1 und S2 voneinan der sollte so gewählt sein, daß sich in Ruhe- bzw. Ursprungs lage des Magneten 1 stets beide durch die Position der Senso ren S1 und S2 bestimmte Meßpunkte innerhalb des Abtastberei ches befinden.

Fig. 3 zeigt eine durch einen Schnitt durch das Kennfeld H_XY gemäß Fig. 2 in der Mitte des Abtastbereiches entlang der ersten Bewegungsachse X enstandene Kennlinie H_X. Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie H_X weist zwar insgesamt einen nicht linearen Verlauf auf, jedoch ist die Stärke der Normalkompo nente des Magnetfeldes innerhalb der maximalen Abtastlänge X_T eine monoton steigende Funktion des Abstandes zwischen Meß punkt und Mittelpunkt des Magneten 1 bezüglich der ersten Be wegungsachse X. Aufgrund der in diesem Bereich gegebenen Mo notonie ist die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie H_X umkehr bar, so daß aus dem Betrag der Magnetfeldstärke eine eindeu tige Aussage hinsichtlich der Position des Meßobjektes bezüg lich der ersten Bewegungsrichtung X ableitbar ist, wodurch eine erste Koordinate P_X des Meßobjektes bestimmbar ist.

Im Gegensatz dazu läßt sich eine in Fig. 4 dargestellte Kennlinie H_Y, welche einen Schnitt durch das Kennfeld H_XY ge mäß Fig. 2 entlang der zweiten Bewegungsachse Y darstellt, aufgrund ihres glockenförmigen Verlaufes nicht zu einer ein deutigen Kennlinie umkehren. Der Verlauf und der Maximalbe trag der Kennlinie H_Y ist zudem abhängig von der Position des Meßpunktes bezüglich der ersten Bewegungsachse X. Anhand der eingetragenen Lage der Sensoren S1 und S2, welche einen Ab stand D_S entlang der zweiten Bewegungsachse Y zueinander auf weisen, ist zu erkennen, daß sich stets beide Sensoren S1 und S2 bei Bewegung des Magneten 1 bzw. des Meßobjektes innerhalb des zulässigen Abtastbereiches befinden.

Die maximale Abtastbreite Y_T ist durch ein Intervall I_T der Kennlinie H_Y definiert, in dem die Kennlinie H_Y mindestens die Hälfte ihres Maximalbetrages annimmt. Bei zunehmendem Ab stand der Magnetfeldsensoren S1 und S2 vom Meßobjekt bezüg lich der dritten Achse Z wird das Intervall I_T zunehmend schmaler, woraus eine verringerte maximale Abtastbreite Y_T resultiert. In diesem Fall ist der Abstand D_S zwischen den Sensoren S1 und S2 entsprechend geringer zu bemessen.

Da eine eindeutige Aussage bezüglich einer zweiten Koordinate P_Y für die Position des Meßobjektes bezüglich der zweiten Be wegungsachse Y aus der Kennlinie H_Y gemäß Fig. 4 nicht ab leitbar ist, ist eine Umrechnung der von den Magnetfeldsenso ren S1 und S2 gewonnenen Meßwerte zu einer Hilfsgröße und der Vergleich dieser Hilfsgröße mit einer eindeutig umkehrbaren, aus der Kennlinie H_Y gemäß Fig. 4 vorteilhafterweise durch Differentiation hervorgegangenen Kennlinie H_Y ^* erforderlich (Fig. 5). Die aus der Umrechnung der beiden Meßwerte der Ma gnetfeldsensoren hervorgegangene Hilfsgröße ist mit den Wer ten der Kennlinie H_Y ^* gemäß Fig. 5 vergleichbar, woraus die zweite Koordinate P_Y des Meßobjektes bestimmbar ist. Durch diese Vorgehensweise wird zudem der zuvor angesprochene Ein fluß der Position des Meßobjektes bezüglich der ersten Bewe gungsachse X auf die Berechnung der zweiten Koordinate P_Y eliminiert.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur zweidimensionalen Positionsbestimmung. Die bei den Magnetfeldsensoren S1 und S2 sind an eine Umrechnungsein heit 2 gekoppelt, welche wiederum an eine Auswertungseinheit 3 gekoppelt ist. Zusätzlich an die Auswertungseinheit 3 ist eine Speichereinheit 4 gekoppelt, in der das Kennfeld H_XY ge mäß Fig. 2 bzw. die Kennlinien H_X und H_Y ^* gemäß der Fig. 3 und 5 abgespeichert sind. Eine mit der Auswertungseinheit 3 verbundene Ausgabeeinheit 5 stellt den Ankopplungspunkt zu peripheren Steuerungs- und Kontrolleinheiten, die hier nicht weiter dargestellt sind, dar.

In der Umrechnungseinheit 2 erfolgt ein Vergleich der Beträge der Meßwerte M1 und M2, die durch die Sensoren S1 und S2 ge wonnen werden. Sofern der Meßwert M1 von Sensor S1 betragsmä ßig den Wert M2 von Sensor S2 überschreitet, wird dieser Meß wert M1 als Bestimmungsgröße H1 für die Koordinate P_X bezüg lich der ersten Bewegungsachse X ausgewählt. Entsprechendes gilt für den Fall, daß der Meßwert M2 von Sensor S2 den Meß wert M1 von Sensor S1 betragsmäßig übertrifft. Zusätzlich er folgt in der Umrechnungseinheit 2 die Berechnung einer Hilfs größe H2 zur Auswertung der Koordinate P_Y bezüglich der zwei ten Bewegungsrichtung Y. Dieser Berechnung werden ebenfalls die Meßwerte M1 und M2 der Sensoren S1 und S2 zugrundegelegt. Für die aus dieser Umrechnung hervorgehende Hilfsgröße H2 gilt folgende Beziehung:

In der Auswerteeinheit 3 werden die umgerechneten bzw. ausge wählten Meßwerte H1 bzw. H2 mit den in der Speichereinheit 4 abgelegten Kennlinien H_X bzw. H_Y ^* verglichen und daraus die Koordinaten P_X bzw. P_Y des Meßobjektes abgeleitet. Der be tragsgrößte Meßwert H1, der durch einen der beiden Sensoren S1 oder S2 geliefert wird, wird zur Bestimmung der Koordinate P_X bezüglich der ersten Bewegungsachse X mit einer Kennlinie H_X gemäß Fig. 3 verglichen. Die Hilfsgröße H2 wird mit der Kennlinie H_Y ^* gemäß Fig. 5 verglichen und daraus die Koordi nate P_Y bezüglich der zweiten Bewegungsachse Y bestimmt.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ankopplungsmöglichkeit der beiden Sensoren S1 und S2, welche über einen Analog-Digital- Wandler 6, eine Ausgabeeinheit bzw. einen Ausgabepuffer 5 und ein nicht explizit dargestelltes Bus-System mit einem Prozes sor 7 verbunden sind. Der Prozessor 7 nimmt diejenigen Aufga ben wahr, die gemäß Fig. 6 in der Umrechnungseinheit 2, Aus werteeinheit 4, Speichereinheit 3 und in der Ausgabeeinheit 5 ausgeführt werden. Eine alternative Anordnung gemäß Fig. 7 eignet sich insbesondere für Applikationen mit einer zeitun kritischen Auswertung der Sensorsignale.

Aufgrund der Auswahl eines hartmagnetischen Werkstoffes für den Quadermagneten ist eine spezielle Abschirmung der Meß anordnung gegenüber eventuellen Störfeldern nicht notwendig, da diese hinsichtlich ihrer Stärke als vernachlässigbar ge ring anzusehen sind. Dies gilt insbesondere für den Einsatz derartiger Positionsmeßsysteme in Kraftfahrzeugen oder ver gleichbaren Umgebungen.

Claims

1. Anordnung zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mit

1. einem an das Meßobjekt koppelbaren, im wesentlichen fla chen, quaderartigen Magneten (1) aus einem hartmagnetischen Werkstoff, wobei die Magnetisierungsrichtung (M) des Magne ten (1) parallel zu einer ersten Bewegungsachse (X) des Meßobjektes verläuft, und wobei sich die Grundseite des Ma gneten (1) parallel zum Bewegungsbereich des Meßobjektes erstreckt,
2. einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensor (S1, S2), welche auf einer zur Grundseite des Magneten (1) parallelen Fläche angeordnet sind, zur Erfassung der durch den Magne ten (1) hervorgerufenen Normalkomponente des Magnetfeldes senkrecht zur Grundseite des Magneten (1), wobei die beiden Sensoren (S1, S2)
entlang der ersten Bewegungsachse (X) denselben Ab stand zum Meßobjekt,
entlang einer zweiten Bewegungsachse (Y), welche im Bewegungsbereich des Meßobjektes senkrecht zur ersten Bewegungsachse (X) verläuft, einen festen Abstand (D_S) zueinander und
zur Grundseite des Magneten (1) denselben festen Ab stand aufweisen,
3. einer Umrechnungseinheit (2), welche an die beiden Sensoren (S1, S2) gekoppelt ist und einer Aufbereitung von Sensor meßwerten (M1, M2) dient,
4. einer Speichereinheit (4), in welcher die Normalkomponente des Magnetfeldes als Kennfeld (H_XY) bzw. in Form von Kenn linien (H_X, H_Y ^*) abgelegt ist,
5. einer Auswerteeinheit (3) und
6. einer Ausgabeeinheit (4).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet feldsensoren (S1, S2) in Ruhe- bzw. Ursprungslage des Meßob jektes entlang der zweiten Bewegungsachse (Y) in einem Be reich angeordnet sind, in dem die Normalkomponente des Ma gnetfeldes entlang der ersten Bewegungsachse (X) ein Maximum aufweist, welches mindestens der Hälfte des absoluten Maxi malbetrages der Normalkomponente entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (1) aus einem kunststoffgebundenen Material gefertigt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (1) entlang der ersten Bewegungsachse (X) des Meßobjektes kreissegmentartig gekrümmt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (1) entlang der zweiten Bewegungsachse (Y) des Meßobjektes kreissegmentartig gekrümmt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfeldsensoren (S1, S2) durch Hall-Elemente realisiert sind.

7. Verfahren zur zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßobjektes mittels einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bestimmung von zwei Meßwerten (M1, M2) für die Normalkom ponente des Magnetfeldes mittels des ersten und des zwei ten Magnetfeldsensors (S1, S1),
b) Vergleich der beiden Meßwerte (M1, M2) und Zuordnung des betragsgrößten Meßwertes (H1) zu einer ersten Kennlinie (H_X).
c) Bestimmung einer ersten Koordinate (P_X) des Meßobjektes aus Vergleich der Werte der ersten Kennlinie (H_X) mit dem zuge ordneten Meßwert (H1),
d) Umrechnung der beiden Meßwerte (M1, M2) zu einer Hilfsgrö ße (H2) mit
e) Bestimmung einer zweiten Koordinate (P_Y) des Meßobjektes aus Vergleich der Werte einer zweiten Kennlinie (H_Y ^*) mit der Hilfsgröße (H2).