DE19741579A1 - System to determine position of permanent magnet - Google Patents
System to determine position of permanent magnetInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Erfassen der Lage eines Dauermagneten mit mindestens einem auf die magnetische Flußdichte anspre chenden Fühlerelement, das in axialer und/oder radialer Richtung von dem Dauermagnet beabstandet ist, und mit einer Auswerteeinrichtung.The invention relates to a measuring arrangement for detecting the position of a Respect permanent magnets with at least one on the magnetic flux density sensing element which is in the axial and / or radial direction of the Permanent magnet is spaced, and with an evaluation device.
Eine derartige Meßanordnung ist in der EP 0 427 882 B2 angegeben. Bei dieser bekannten Meßanordnung sind mehrere magnetoresistive Elemente in einer Rei he beabstandet angeordnet, die auf das Magnetfeld eines auf einem beweg ten Körper angeordneten Dauermagneten durch Widerstandsänderung und eine damit verbundene Spannungssignaländerung ansprechen. Das Spannungssignal wird in einer Auswerteeinrichtung relativ aufwendig zu einem auswertbaren Sig nal weiterverarbeitet. Diese Meßanordnung dient dazu, insbesondere größere La geänderungen oder Winkeländerungen des Meßobjektes von z. B. 360° mit rela tiv feiner Auflösung zu erfassen.Such a measuring arrangement is specified in EP 0 427 882 B2. At this Known measuring arrangement are several magnetoresistive elements in a row he spaced apart, which moves on the magnetic field one on a th body arranged permanent magnet by resistance change and a respond to the associated voltage signal change. The voltage signal becomes relatively complex in an evaluation device to an evaluable Sig nal processed. This measuring arrangement serves, in particular larger La ge changes or changes in angle of the measurement object of z. B. 360 ° with rela tiv fine resolution to capture.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs an gegebenen Art bereitzustellen, die es mit relativ geringem Aufwand ermöglicht, kleine Lageänderungen bzw. Neigungswinkeländerungen eines Dauermagneten bzw. eines damit versehenen Gegenstandes zu bestimmen.The invention has for its object a measuring arrangement at the beginning of a given type, which makes it possible with relatively little effort, small changes in position or angle of inclination of a permanent magnet or to determine an object provided with it.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist also vorgesehen, daß das mindestens eine Fühlerelement ein Hallelement ist, das bzw. die bei axial beabstandeter Anordnung parallel zur Achse des Dauermag neten derart angeordnet ist/sind, daß eine radiale Komponente der magnetischen Flußdichte erfaßt wird, und die bei radialer, neben dem Dauermagneten befind licher Anordnung senkrecht zur Achse des Dauermagneten angeordnet sind, so daß eine axiale Komponente der magnetischen Flußdichte erfaßt wird, und daß mittels der Auswerteeinrichtung ein Parallelversatz und/oder ein Neigungs winkel des Dauermagneten gegenüber einer Soll-Lage der Dauermagnetachse aus der mit dem bzw. den Hallsensoren erfaßten magnetischen Flußdichte durch lineare Interpolation bestimmbar ist. Bereits mit einem Hallelement ist eine kleine Lageabweichung eines Dauermagneten von seiner Soll-Lage erfaßbar, wobei die Lageabweichung ein Parallelversatz von der Achse der Soll-Lage - oder kurz - der Soll-Achse sein kann oder ein Neigungswinkel der Dauermagnetachse gegenüber der Soll-Achse. Genauer und ohne das Erfordernis einer Kalibrierung kann der Parallelversatz mittels zweier radial von der Soll-Achse beabstandeter Hallsen soren bestimmt werden, während zur Erfassung des Neigungswinkels die Hall sensoren axial (in z-Richtung) beabstandet sind. Da die Auswertung unmittelbar aus der erfaßten magnetischen Flußdichte erfolgt, ist auch der Aufbau der Auswerteeinrichtung einfach.This object is achieved with the features of claim 1. After that is thus provided that the at least one sensor element is a Hall element, the or the axially spaced arrangement parallel to the axis of the permanent stomach is / are arranged such that a radial component of the magnetic Flux density is detected, and the radial, located next to the permanent magnet Licher arrangement perpendicular to the axis of the permanent magnet, so that an axial component of the magnetic flux density is detected, and that a parallel offset and / or an inclination by means of the evaluation device angle of the permanent magnet with respect to a target position of the permanent magnet axis from the magnetic flux density detected with the Hall sensor (s) linear interpolation can be determined. Even a Hall element is a small one Position deviation of a permanent magnet from its target position can be detected, the Position deviation is a parallel offset from the axis of the target position - or briefly - the Can be target axis or an inclination angle of the permanent magnet axis the target axis. More precisely and without the need for calibration, the Parallel offset using two halls radially spaced from the target axis sensors are determined while the Hall to detect the angle of inclination sensors are axially spaced (in the z direction). Because the evaluation is immediate from the detected magnetic flux density, the structure of the Evaluation device simple.
Besonders geringe Anforderungen an den Aufbau werden dadurch ermöglicht, daß nur ein Hallsensor axial beabstandet in der Soll-Lage der Dauermagnetachse angeordnet ist und daß der Parallelversatz nach vorausgegangener Kalibrierung bezüglich des axialen Abstandes bestimmt wird. Eine einfache Handhabung wird mit einer kalibrierten Verstelleinrichtung ermög licht, mit der der Hallsensor senkrecht zur Achse der Soll-Lage bis zum Wert null der radialen Komponente der Flußdichte verstellbar ist. Hierbei müssen allerdings eine der eigentlichen Messung vorangehende Kalibrierung oder eine kalibrierte Verstelleinrichtung in Kauf genommen werden.This enables particularly low requirements on the structure, that only one Hall sensor is axially spaced in the desired position of the Permanent magnet axis is arranged and that the parallel offset after previous calibration is determined with respect to the axial distance. Easy handling is made possible with a calibrated adjustment device light with which the Hall sensor is perpendicular to the axis of the target position down to zero the radial component of the flux density is adjustable. Here, however a calibration preceding the actual measurement or a calibrated one Adjustment device to be accepted.
Soll die Messung ohne Kalibrierung erfolgen, so kann dies ebenfalls bei relativ
einfachem Aufbau dadurch erfolgen, daß mindestens ein Paar aus zwei in einer
zur Achse der Soll-Lage normalen Ebene liegenden Hallsensoren vorgesehen ist,
die von der Achse radial gleich weit um einen Grundversatz entfernt sind, und
daß der Parallelversatz aus der linearen Interpolation zwischen den beiden mit
jeweils einem Paar der Hallsensoren erfaßten magnetischen Flußdichten gemäß
der Beziehung
If the measurement is to be carried out without calibration, this can also be done with a relatively simple structure by providing at least one pair of two Hall sensors lying in a plane normal to the axis of the desired position, which radially equidistant from the axis by a basic offset and that the parallel offset from the linear interpolation between the two magnetic flux densities detected with each pair of the Hall sensors according to the relationship
bestimmbar wird. Dabei ist darauf zu achten, daß der Grundversatz ±e0 der Hallsensoren betragsmäßig größer ist als der zu messende Parallelversatz bzw. die durch den Neigungswinkel bedingte Abweichung. Die Auswertung mit der angegebenen Beziehung zwischen Parallelversatz und magnetischer Flußdichte ist mittels Software ebenfalls einfach.can be determined. It must be ensured that the basic offset ± e 0 of the Hall sensors is larger in magnitude than the parallel offset to be measured or the deviation caused by the angle of inclination. The evaluation with the specified relationship between parallel offset and magnetic flux density is also simple using software.
Der Neigungswinkel kann einfach dadurch bestimmt werden, daß zwei Hallsen
soren auf der Achse der Soll-Lage oder zwei Paare aus jeweils zwei sich dia
metral bezüglich der Achse mit gleichem radialen Grundversatz gegenüberliegen
den Hallsensoren unterschiedlich weit axial von dem Dauermagneten beabstan
det angeordnet sind und daß der Neigungswinkel aus einem mit den beiden Hall
sensoren oder den beiden Paaren der Hallsensoren erfaßten unterschiedlichen
Parallelversatz gemäß der Beziehung
The angle of inclination can be determined simply by the fact that two Hall sensors are arranged on the axis of the desired position or two pairs of two diametrically opposed to one another with respect to the axis with the same radial basic offset, the Hall sensors are arranged at different distances axially from the permanent magnet and that the angle of inclination from a different parallel offset detected with the two Hall sensors or the two pairs of Hall sensors according to the relationship
bestimmbar ist.is determinable.
Ist vorgesehen, daß zwei Paare aus sich diametral bezüglich der Achse der
Soll-Lage radial von dieser gleich weit beabstandeten Hallsensoren unter einem Um
fangswinkel von 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind und daß aus den
mit den beiden Paaren erfaßten Parallelversätzen der gesamte Parallelversatz
gemäß der Beziehung
It is provided that two pairs of diametrically with respect to the axis of the target position radially from this equally spaced Hall sensors are offset at a circumferential angle of 90 ° to each other and that from the parallel offsets detected with the two pairs, the total parallel offset according to the relationship
ermittelbar ist, so kann ein Parallelversatz in x- und y-Richtung erfaßt und auch der gesamte Parallelversatz einfach bestimmt werden. Entsprechend kann auch der gesamte Neigungswinkel unter Berücksichtigung der x- und y-Richtung er mittelt werden.can be determined, a parallel offset in the x and y directions can be detected and also the entire parallel offset can be easily determined. Accordingly, too the entire angle of inclination taking into account the x and y directions be averaged.
Die Meßanordnung wird dadurch einfach handhabbar, daß die Hallsensoren in einem Meßkopf aus nichtmagnetischem Material aufgenommen sind und daß je dem Hallsensor ein Vorverstärker zugeordnet ist.The measuring arrangement is easy to handle in that the Hall sensors in a measuring head made of non-magnetic material and that each a preamplifier is assigned to the Hall sensor.
Bei größerer Stückzahl von Meßanordnungen ist die Maßnahme vorteilhaft, daß in dem Meßkopf ein Mikrocomputer als Auswerteeinrichtung sowie ein Ana log-Digitalwandler vorgesehen sind, während bei geringerer Stückzahl ein Aufbau in der Weise günstig ist, daß die Auswerteeinrichtung mittels eines Personalcompu ters mit einer Meßsignalerfassungs-Einsteckkarte und Meßsignal-Verarbeitungs software gebildet ist.With a larger number of measuring arrangements, the measure is advantageous in that in the measuring head a microcomputer as an evaluation device and an Ana Log digital converters are provided, while a build-up in smaller quantities it is favorable that the evaluation device by means of a personal computer ters with a measurement signal acquisition plug-in card and measurement signal processing software is formed.
Mit der Meßanordnung kann auf vorteilhafte Weise die Lage eines mit Kunststoff umspritzten Dauermagneten innerhalb des Kunststoffmantels genau festgestellt werden, wie es insbesondere bei der Fertigung von magnetischen Sensoren für die Drehzahlerfassung bei ABS- oder Einspritzsystemen wichtig ist. Die genaue Lage des Sensorkerns bestimmt dabei wesentlich die Zuverlässigkeit der Meßer gebnisse, so daß die vorstehende Meßanordnung für die Qualitätssicherung be sondere Bedeutung hat.With the measuring arrangement, the position of a plastic can be advantageously extrusion-coated permanent magnets within the plastic jacket precisely determined be, as it is particularly in the production of magnetic sensors for Speed detection is important in ABS or injection systems. The exact The position of the sensor core essentially determines the reliability of the knives results, so that the above measuring arrangement for quality assurance be has special meaning.
Voraussetzung für die Meßanordnung ist, daß der zum Beispiel quaderförmige oder vorzugsweise zylindrische Dauermagnet des Drehzahlfühlers bereits auf magnetisiert ist und diese Aufmagnetisierung bis zur Messung nicht durch falsche Handhabung in ihrer radialen Symmetrie gestört wurde. Diese Voraus setzung ist in der Regel sichergestellt. Eine weitere Voraussetzung ist die Verfügbarkeit von Hallsensoren guter Nullpunktgenauigkeit, die insbesondere bei neueren Hallsensoren ebenfalls erfüllt ist.A prerequisite for the measuring arrangement is that the cuboid, for example or preferably cylindrical permanent magnet of the speed sensor is magnetized and this magnetization does not go through until the measurement incorrect handling was disturbed in its radial symmetry. This advance Settlement is usually ensured. Another requirement is that Availability of Hall sensors with good zero point accuracy, which is particularly the case with newer Hall sensors is also met.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to exemplary embodiments took explained in more detail on the drawings. Show it:
Fig. 1a) bis 1c) verschiedene Lagen eines Dauermagneten innerhalb einer Kunststoffummantelung, Fig. 1a) to 1c) different positions of a permanent magnet within a plastic sheath,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Lage eines Hallsensors bezüglich des in Fig. 1 gezeigten Dauermagneten, Fig. 2 is a schematic representation of the location of a Hall sensor with respect to the permanent magnet shown in Fig. 1,
Fig. 3 einen Parallelversatz eines Hallelements bezüglich der Achse des Dauermagneten und den Verlauf der radialen Komponente der von dem Dauermagneten erzeugten magnetischen Flußdichte, Fig. 3 is a parallel offset of a Hall element with respect to the axis of the permanent magnet and the course of the radial component of the magnetic flux density generated by the permanent magnet,
Fig. 4 eine Meßanordnung mit zwei Hallsensoren und den Verlauf der radialen Komponente der magnetischen Flußdichte, wobei der Dauermagnet sich in einer Soll-Lage befindet, Fig. 4 shows a measuring arrangement with two Hall sensors and the curve of the radial component of the magnetic flux density, wherein the permanent magnet is located in a desired position,
Fig. 5 eine Darstellung gemäß Fig. 4, wobei die Dauermagnetachse ge genüber der Achse der Soll-Lage parallel versetzt ist, Fig. 5 is a view according to Fig. 4, wherein the permanent magnet axis is offset parallel ge genüber the axis of the target position,
Fig. 6 einen linearisierten Ausschnitt des in Fig. 5 gezeigten Verlaufs der magnetischen Flußdichte, Fig. 6 shows a detail of the linearized in Fig. 5 curve of the magnetic flux density shown,
Fig. 7 eine Meßanordnung zur Ermittlung eines Neigungswinkels der Dauermagnetachse gegenüber der Achse der Soll-Lage, Fig. 7 shows a measuring arrangement for determining an inclination angle of the permanent magnet axis relative to the axis of the target position,
Fig. 8 eine Draufsicht der Anordnung zweier Paare von Hallsensoren bezüglich des Dauermagneten und Fig. 8 is a plan view of the arrangement of two pairs of Hall sensors with respect to the permanent magnet and
Fig. 9 eine Meßanordnung mit zwei seitlich des Dauermagneten angeordneten Hallsensoren in seitlicher Ansicht. Fig. 9 a measuring arrangement with two laterally of the permanent magnet arranged Hall sensors in a side view.
Die Fig. 1a), 1b) und 1c) zeigen einen in einer Kunststoff-Vergußmasse 3 durch Umspritzen vollständig eingebetteten Dauermagneten 1, der an seinem unteren Ende einen weichmagnetischen Polstift 2 zum Aufnehmen einer nicht gezeigten Spule trägt. Mit einem derart aufgebauten induktiven Drehzahlfühler kann z. B. die Drehzahl bei einem ABS- oder Einspritzsystem erfaßt werden, indem ein rotierendes Teil mit einer sich in der Nähe des Polstiftes 2 entlang bewegenden umfangsseitigen Zahnung eine Änderung des Magnetfeldes und damit eine indu zierte Spannung in der Spule hervorruft, aus der die Drehzahl hergeleitet wird. Um mit dem induktiven Drehzahlfühler genaue Meßergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, daß der Dauermagnet 1 mit dem Polstift 2 in der Vergußmasse 3 genau positioniert ist, wie in Fig. 1a) dargestellt. Eine Abweichung von einer Soll-Lage SL kann zu Fehlmessungen führen. Die Abweichung von der Soll-Lage SL kann insbesondere in einem Neigungswinkel α der Dauermagnetachse DA ge genüber der Achse der Soll-Lage SL, kurz als Soll-Achse bezeichnet, oder in einem Parallelversatz der Dauermagnetachse DA gegenüber der Soll-Achse be stehen, wie in den Fig. 1b) und 1c) dargestellt. Ferner ist die positionsgenaue Einbettung des Dauermagneten 1 in der Vergußmasse 3 auch für einen Korro sionsschutz wichtig. FIG. 1a), 1b) and 1c) show a completely embedded in a plastic potting compound 3 by overmoulding permanent magnets 1, which carries at its lower end a soft magnetic pole pin 2 for receiving a reel, not shown. With such an constructed inductive speed sensor z. B. the speed in an ABS or injection system can be detected by a rotating part with a toothing that moves along the circumference near the pin 2 along a change in the magnetic field and thus induces an induced voltage in the coil from which the speed is derived becomes. In order to obtain accurate measurement results with the inductive speed sensor, it is important that the permanent magnet 1 with the pole pin 2 is positioned exactly in the sealing compound 3 , as shown in Fig. 1a). A deviation from a target position SL can lead to incorrect measurements. The deviation from the target position SL can be in particular at an inclination angle α of the permanent magnet axis DA compared to the axis of the target position SL, referred to briefly as the target axis, or in a parallel offset of the permanent magnet axis DA with respect to the target axis, such as shown in Figs. 1b) and 1c). Furthermore, the positionally accurate embedding of the permanent magnet 1 in the sealing compound 3 is also important for corrosion protection.
Im folgenden werden Meßanordnungen beschrieben, mit denen der Parallelver satz bzw. die Exzentrizität e sowie der Neigungswinkel α mit einfachen Maß nahmen erfaßt werden können. Die Meßanordnung eignet sich darüberhinaus auch zur Bestimmung kleiner Lageabweichungen oder Neigungswinkel im mm- und Grad-Bereich von Dauermagneten gegenüber einer Soll-Lage.In the following measuring arrangements are described with which the parallel ver set or the eccentricity e and the angle of inclination α with a simple measure can be detected. The measuring arrangement is also suitable also for determining small position deviations or inclination angles in the mm and degree range of permanent magnets compared to a target position.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Meßanordnung ist ein Hallsensor H in Verlängerung der in z-Richtung zeigenden Dauermagnetachse DA angeordnet, wobei die Ebene des Hallsensors H in z-Richtung und einer dazu senkrechten y-Richtung liegt, so daß eine zur Ebene des Hallsensors H radiale Komponente der magnetischen Flußdichte Bx mit dem Hallsensor H erfaßt wird. Zwischen der Stirnseite des Dauermagneten DA und dem Hallsensor H liegt ein Abstand bzw. Luftspalt I. Der Dauermagnet 1 befindet sich in der Soll-Lage SL, d. h. die Dauermagnetachse DA fällt mit der Soll-Achse zusammen. Die in dieser Lage erfaßte Komponente der magnetischen Flußdichte Bx ist bei idealem Dauermagnet 1 unabhängig von dem Abstand I gerade Null, d. h. die radiale x-Komponente der magnetischen Feld stärke verschwindet in der Dauermagnetachse DA.In the measuring arrangement shown in FIG. 2, a Hall sensor H is arranged in the extension of the permanent magnet axis DA pointing in the z direction, the plane of the Hall sensor H being in the z direction and a y direction perpendicular thereto, so that one is in relation to the plane of the hall sensor H radial component of the magnetic flux density B x is detected with the Hall sensor H. There is a distance or air gap I between the end face of the permanent magnet DA and the Hall sensor H. The permanent magnet 1 is in the target position SL, ie the permanent magnet axis DA coincides with the target axis. The component of the magnetic flux density B x detected in this position is just zero with an ideal permanent magnet 1 regardless of the distance I, ie the radial x component of the magnetic field strength disappears in the permanent magnet axis DA.
Liegt der Dauermagnet 1 in x-Richtung gesehen, wie in Fig. 3 gezeigt, um den Parallelversatz e außerhalb der Soll-Lage SL, so zeigt der Hallsensor H gemäß der in Fig. 3 qualitativ dargestellten Kennlinie der radialen Komponente der magne tischen Flußdichte Bx einen von null verschiedenen Wert B1 an, der in guter Näherung proportional zu dem Parallelversatz bzw. der Exzentrizität e ist, wobei diese auch vorzeichenrichtig angezeigt wird. Da die Kennliniensteigung auch von dem Abstand I (und auch der Temperatur) abhängt, wie für die Abstände I1 und I2 dargestellt, bedarf diese Messung einer vorausgegangenen Kalibrierung nach Abstand und Temperatur.If the permanent magnet 1 is seen in the x-direction, as shown in FIG. 3, by the parallel offset e outside the desired position SL, the Hall sensor H shows the radial component of the magnetic flux density B according to the characteristic curve qualitatively shown in FIG. 3 x indicates a value B 1 which is different from zero and which, to a good approximation, is proportional to the parallel offset or the eccentricity e, which is also displayed with the correct sign. Since the slope of the characteristic curve also depends on the distance I (and also the temperature), as shown for the distances I 1 and I 2 , this measurement requires a previous calibration for distance and temperature.
Eine andere, hier nicht gesondert dargestellte Möglichkeit der Messung, bei der auf eine Kalibrierung verzichtet werden kann, ist die, daß der Hallsensor H mit tels einer geeigneten, kalibrierten Verstelleinrichtung solange aus einer Referenz lage heraus in x-Richtung verschoben wird, bis der Hallsensor den Wert null an zeigt. Die Verschiebung ist darin gleich der Exzentrizität e.Another possibility of measurement, not shown separately here, in which calibration can be dispensed with is that the Hall sensor H with a suitable, calibrated adjustment device from a reference out in the x-direction until the Hall sensor reaches zero shows. The shift is equal to the eccentricity e.
Eine hinsichtlich des Meßvorgangs günstigere Alternative der Meßanordnung, bei der sowohl auf eine Kalibrierung als auch auf ein Verschieben des Hallsensors verzichtet werden kann, ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Meßanordnung besteht darin, daß statt eines einzigen Hallsensors H deren zwei gleiche gleich weit beab standet von der Stirnseite des Dauermagneten 1 und unter einem radialen Grundversatz e0 der Dauermagnetachse DA sich gegenüber dieser diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ergeben sich dann bei ideal mittiger Lage des Dauermagneten 1 zwei von null verschiedene, be tragsmäßig gleiche Werte ±B1 der radialen Komponente der magnetischen Fluß dichte By. Bei anderem Abstand I oder anderer Temperatur ergeben sich ent sprechend zwei davon verschiedene Werte des Betrags B2. Dabei ist darauf zu achten, daß der Grundversatz ±e0 der beiden Hallsensoren H1, H2 betrags mäßig größer ist als die vorkommenden zu messenden Exzentrizitäten e.An alternative of the measuring arrangement which is more favorable with regard to the measuring process and in which both calibration and moving of the Hall sensor can be dispensed with is shown in FIG. 4. This measuring arrangement consists in the fact that instead of a single Hall sensor H, the same two spaced equally far apart from the end face of the permanent magnet 1 and with a radial basic offset e 0 of the permanent magnet axis DA are arranged diametrically opposite each other. As can be seen from Fig. 4, then with ideally central position of the permanent magnet 1 two non-zero, be the same values ± B 1 of the radial component of the magnetic flux density B y . At a different distance I or a different temperature, two different values of the amount B 2 result accordingly. It should be ensured that the basic offset ± e 0 of the two Hall sensors H1, H2 is moderately larger in magnitude than the eccentricities e to be measured.
Die Fig. 5 und 6 zeigen, wie aus den beiden Werten ±B1 bzw. ±B2 direkt auf
die Exzentrizität e des Dauermagneten 1 geschlossen werden kann. Die Exzen
trizität e führt dazu, daß die beiden Hallsensoren H1, H2 nicht mehr den be
tragsmäßig gleichen Wert, sondern unterschiedliche Werte B1, B1' angeben. Der
Bestimmungsalgorithmus ist in Fig. 6 verdeutlicht, indem das Stück der Kenn
linie gemäß Fig. 5 mit annähernd geradem Verlauf gesondert als Gerade g bzw.,
für einen anderen Abstand I oder eine andere Temperatur, als Gerade g' dar
gestellt ist. Es ist ersichtlich, daß sich der Parallelversatz bzw. die Exzentrizität
e des Dauermagneten 1 einfach als Schnittpunkt der Geraden g bzw. g' mit der
x-Achse berechnen läßt. Die Gerade g bzw. g' ergibt sich als Verbindungslinie
der beiden Punkte (e0, B1) und (-e0, -B1'):
FIGS. 5 and 6 show how the two values of ± 1 and ± B 2 B can be closed directly on the eccentricity e of the permanent magnet 1. The eccentricity e leads to the fact that the two Hall sensors H1, H2 no longer indicate the same value, but different values B 1 , B 1 '. The determination algorithm is illustrated in FIG. 6 in that the piece of the characteristic line according to FIG. 5 with an approximately straight course is shown separately as a line g or, for a different distance I or a different temperature, as a line g '. It can be seen that the parallel offset or the eccentricity e of the permanent magnet 1 can simply be calculated as the point of intersection of the straight line g or g 'with the x-axis. The line g or g 'is the connecting line between the two points (e 0 , B 1 ) and (-e 0 , -B 1 '):
Die Exzentrizität e ergibt sich dann mit sehr guter Genauigkeit als x-Wert an der
Stelle B=0:
The eccentricity e then results with very good accuracy as an x value at the point B = 0:
Selbst wenn sich bei anderem Abstand I oder anderer Betriebstemperatur die Kennlinie in ihrer Steigung ändert (Gerade g' in Fig. 6), führt die vorstehende Berechnung stets zu demselben Ergebnis der Exzentrizität e.Even if the slope of the characteristic curve changes at a different distance I or another operating temperature (straight line g 'in FIG. 6), the above calculation always leads to the same result of the eccentricity e.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Meßanordnung, mit der zu
sätzlich zum Parallelversatz e auch der Neigungswinkel α der Dauermagnetachse
DA gegenüber der Soll-Achse bestimmt werden kann. Dazu ist ein weiteres,
gleichartiges Paar aus Hallsensoren H3, H4 in etwas größerem Abstand I als das
Paar der Hallsensoren H1, H2 von der Stirnseite des Dauermagneten 1 ange
ordnet. Der Parallelversatz bzw. die Exzentrizität e des Dauermagneten 1 wird
dabei mit beiden Paaren der Hallsensoren H1, H2 bzw. H3, H4 nach dem glei
chen Algorithmus bestimmt, so daß aus der Messung mit den beiden Paaren
darauf geschlossen werden kann, ob der Dauermagnet 1 nur parallel versetzt
oder aber zur Soll-Achse um den Neigungswinkel α geneigt ist. Sind die von den
beiden Paaren der Hallsensoren H1, H2 bzw. H3, H4 erhaltenen Meßergebnisse
gleich, so deutet dies auf einen Parallelversatz e hin, sind sie jedoch verschie
den, so liegt eine Neigung des Dauermagneten 1 gegenüber der Soll-Achse vor.
Der Neigungswinkel α kann aus dem Unterschied der Abstände, d. h. dem Hö
henunterschied Δz sowie aus den beiden zugehörigen Meßergebnissen der Paral
lelversätze e1 und e2 gemäß der Beziehung berechnet werden:
Fig. 7 shows a further embodiment of the measuring arrangement with which, in addition to the parallel offset e, the angle of inclination α of the permanent magnet axis DA relative to the target axis can be determined. For this purpose, another, similar pair of Hall sensors H3, H4 is arranged at a slightly greater distance I than the pair of Hall sensors H1, H2 from the end face of the permanent magnet 1 . The parallel offset or the eccentricity e of the permanent magnet 1 is determined with both pairs of the Hall sensors H1, H2 or H3, H4 according to the same algorithm, so that it can be concluded from the measurement with the two pairs whether the permanent magnet 1 is only offset parallel or is inclined to the target axis by the angle of inclination α. If the measurement results obtained from the two pairs of Hall sensors H1, H2 or H3, H4 are the same, this indicates a parallel offset e, but if they are different, there is an inclination of the permanent magnet 1 with respect to the desired axis. The angle of inclination α can be calculated from the difference in the distances, ie the height difference Δz and from the two associated measurement results of the parallel offsets e 1 and e 2 according to the relationship:
Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Meßanordnung, mit dem eine zweidimensionale Messung in x- und der dazu senkrechten y-Richtung vorge nommen werden kann, so daß die Exzentrizität e bzw. der Neigungswinkel α sowohl in x- als auch in y-Richtung bestimmt werden kann. Fig. 8 shows an embodiment of the measuring arrangement with which a two-dimensional measurement in the x and the perpendicular y direction can be taken, so that the eccentricity e or the angle of inclination α in both the x and y directions can be determined.
Außer den beiden Hallsensoren H1, H2 des in x-Richtung ausgerichteten Paares
liegen sich hierzu zwei weitere Hallsensoren H5, H6 in y-Richtung diametral und
in gleichem radialen Abstand von der Soll-Achse gegenüber. Aus den jeweiligen
Meßergebnissen der Parallelversätze ex und ey der beiden Paare der Hallsensoren
H1, H2 bzw. H5, H6 kann auf den gesamten Parallelversatz eges der Dauer
magnetachse DA gegenüber der Soll-Achse geschlossen werden:
In addition to the two Hall sensors H1, H2 of the pair aligned in the x direction, there are two further Hall sensors H5, H6 diametrically opposite each other in the y direction and at the same radial distance from the desired axis. From the respective measurement results of Parallelversätze e x and e y of the two pairs of Hall sensors H1, H2 or H5, H6 can ges on the whole parallel offset e of the permanent magnet axis DA relative to the target axis to be closed:
Entsprechend kann auch der räumliche Neigungswinkel des Dauermagneten durch Anordnung zweier weiterer Paare von Hallsensoren aus dann erhaltenen Parallelversätzen eges1 und eges2 ermittelt werden.Correspondingly, the spatial inclination angle of the permanent magnet can also be determined by arranging two further pairs of Hall sensors from the parallel offsets e ges1 and e ges2 then obtained.
In Fig. 9 ist eine weitere Alternative der Meßanordnung dargestellt, bei der die Hallsensoren seitlich von dem Dauermagneten 1 angeordnet sind, wobei die Flä chennormalen der Hallsensoren H1, H2 parallel zur Soll-Achse ausgerichtet sind. Die Meßrichtung verläuft hier parallel zur z-Achse. Diese Anordnung kann z. B. verwendet werden, wenn der Raum im axialen Abstand des Dauermagneten 1 nicht frei ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls symmetrisch zur Soll-Achse angeordneten Hallsensoren H1, H2 messen im Idealfall mittiger Dauer magnetposition eine gleiche magnetische Flußdichte bzw. gleiches Magnetfeld; im Falle außermittiger Position jedoch verschiedene Werte, aus denen sich in analoger Weise zu der oben beschriebenen Vorgehensweise durch lineare Inter polation ebenfalls die Exzentrizität e bestimmen läßt. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Meßanordnungen messen die Hallsensoren hier je doch nicht nahe an ihrem Nullpunkt, sondern bei nicht ganz geringer Magnet feldstärke. In diesem Bereich besitzen alle zur Zeit bekannten Hallsensoren einen erheblichen Temperaturfehler. Kann man jedoch gleichen Temperaturgang beider Sensoren durch entsprechende Auswahl voraussetzen, so wird dieser durch den beschriebenen Algorithmus eliminiert. In Fig. 9, a further alternative of the measuring arrangement is shown in which the Hall sensors are disposed laterally of the permanent magnet 1, wherein the FLAE normals of the Hall sensors H1, H2 are aligned parallel to the desired axis. The measuring direction runs parallel to the z-axis. This arrangement can e.g. B. be used when the space in the axial distance of the permanent magnet 1 is not free. The Hall sensors H1, H2 also arranged symmetrically to the target axis in this exemplary embodiment ideally measure a central magnetic position with the same magnetic flux density or the same magnetic field; in the case of an off-center position, however, different values from which the eccentricity e can also be determined in a manner analogous to the procedure described above by linear interpolation. In contrast to the measuring arrangements described above, the Hall sensors do not measure close to their zero point here, but rather with a not very low magnetic field strength. In this area, all currently known Hall sensors have a significant temperature error. However, if the same temperature response of both sensors can be assumed by appropriate selection, this is eliminated by the algorithm described.
Für die praktische Anwendung ist es günstig, die Hallsensoren in einem Meßkopf zusammen mit einem jeweiligen Vorverstärker anzuordnen. Für eine geringe An zahl von Meßanordnungen kann ein derart aufgebauter Meßkopf an einen Perso nalcomputer mit einer standardisierten Meßsignalerfassungs-Einsteckkarte sowie Meßsignal-Verarbeitungssoftware zur weiteren Signalerfassung und -verarbei tung angeschlossen werden. Ein individueller Abgleich von Offset und Stei gung eines Meßkanals ist hierbei im Meßkopf selbst nicht erforderlich; er kann vielmehr mittels Software im Personalcomputer vorgenommen werden.For practical use it is convenient to have the Hall sensors in one measuring head to be arranged together with a respective preamplifier. For a small amount A measuring head constructed in this way can number of measuring arrangements to a person nalcomputer with a standardized measurement signal acquisition plug-in card and Measurement signal processing software for further signal acquisition and processing device can be connected. An individual comparison of offset and slope supply of a measuring channel is not necessary in the measuring head itself; he can rather be done using software in the personal computer.
Bei einer Realisierung der Meßanordnung in größerer Stückzahl ist es jedoch vorteilhaft, die Meßalgorithmen mittels eines Mikrocomputers auszuführen, der einschließlich des erforderlichen Analog-Digital-Wandlers im Meßkopf aufge nommen ist.However, if the measuring arrangement is implemented in large numbers, it is advantageous to carry out the measurement algorithms by means of a microcomputer which including the required analog-digital converter in the measuring head is taken.
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Fühlerelement ein Hallelement (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) ist, das bzw. die bei axial beabstandeter Anordnung parallel zur Achse oder in der Achse des Dauermagneten (1) derart angeordnet ist/sind, daß eine radiale Komponente (x, y) der magnetischen Flußdichte (Bx, By) erfaßt wird, und die bei radialer, neben dem Dauermagneten (1) befindlicher Anordnung senkrecht zur Achse des Dauermagneten (1) an geordnet sind, so daß eine axiale Komponente (z) der magnetischen Fluß dichte erfaßt wird, und
daß mittels der Auswerteeinrichtung ein Parallelversatz (e, ex, ey) und/oder ein Neigungswinkel (α) des Dauermagneten (1) gegenüber einer Soll-Lage (SL) der Dauermagnetachse (DA) aus der mit dem bzw. den Hallsensoren (H, H1 bis H6) erfaßten magnetischen Flußdichte (Bx, By) durch lineare Interpolation bestimmbar ist. 1. Measuring arrangement for detecting the position of a permanent magnet ( 1 ) with at least one sensor element responsive to the magnetic flux density (B x , B y ), which is magnetically spaced from the duration in the axial and / or radial direction, and with an evaluation device,
characterized by
that the at least one sensor element is a Hall element (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) which, in the case of an axially spaced arrangement, is / are arranged parallel to the axis or in the axis of the permanent magnet ( 1 ), that a radial component (x, y) of the magnetic flux density (B x , B y ) is detected, and the radial, next to the permanent magnet ( 1 ) arrangement located perpendicular to the axis of the permanent magnet ( 1 ), so that a axial component (z) the magnetic flux density is detected, and
that by means of the evaluation device a parallel offset (e, e x , e y ) and / or an inclination angle (α) of the permanent magnet ( 1 ) relative to a desired position (SL) of the permanent magnet axis (DA) from the with the Hall sensor (s) ( H, H1 to H6) detected magnetic flux density (B x , B y ) can be determined by linear interpolation.
dadurch gekennzeichnet,
daß nur ein Hallsensor (H) axial beabstandet in der Soll-Lage (SL) der Dauermagnetachse (DA) angeordnet ist und
daß der Parallelversatz (e, ex, ey) nach vorausgegangener Kalibrierung bezüglich des axialen Abstandes (I, Ix, Iy) oder mit einer kalibrierten Ver stelleinrichtung bestimmt wird, mit der der Hallsensor (H) senkrecht zur Achse der Soll-Lage (SL) bis zum Wert null der radialen Komponente (x, y) der Flußdichte verstellbar ist.2. Measuring arrangement according to claim 1,
characterized,
that only one Hall sensor (H) is arranged axially spaced in the desired position (SL) of the permanent magnet axis (DA) and
that the parallel offset (e, e x , e y ) is determined after previous calibration with regard to the axial distance (I, I x , I y ) or with a calibrated adjusting device with which the Hall sensor (H) is perpendicular to the axis of the target Position (SL) is adjustable up to zero of the radial component (x, y) of the flux density.
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Paar aus zwei in einer zur Achse der Soll-Lage (SL) normalen Ebene liegenden Hallsensoren (H1, H2 bzw. H5, H6) vorgese hen ist, die von der Achse radial gleich weit um einen Grundversatz (+e0, -e0) entfernt sind, und
daß der Parallelversatz (e) aus der linearen Interpolation zwischen den beiden mit jeweils einem Paar der Hallsensoren (H1, H2 bzw. H5, H6) er faßten magnetischen Flußdichten (B1, -B1') gemäß der Beziehung
bestimmt wird.3. Measuring arrangement according to claim 1,
characterized,
that at least one pair of two Hall sensors (H1, H2 or H5, H6) lying in a plane normal to the axis of the desired position (SL) is provided, which radially equidistant from the axis by a basic offset (+ e 0 , -e 0 ) are removed, and
that the parallel offset (e) from the linear interpolation between the two, each with a pair of Hall sensors (H1, H2 or H5, H6), he detected magnetic flux densities (B 1 , -B 1 ') according to the relationship
is determined.
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Hallsensoren (H) auf der Achse der Soll-Lage (SL) oder zwei Paare aus jeweils zwei sich diametral bezüglich der Achse mit gleichem radialen Grundversatz (e0, -e0) gegenüberliegenden Hallsensoren (H1, H2 und H3, H4) unterschiedlich weit axial von dem Dauermagneten (1) beab standet angeordnet sind und
daß der Neigungswinkel (α) aus einem mit den beiden Hallsensoren (H) oder den beiden Paaren der Hallsensoren (H1, H2 bzw. H3, H4) erfaßten unterschiedlichen Parallelversatz (e1, e2) gemäß der Beziehung
bestimmbar ist.4. Measuring arrangement according to one of the preceding claims,
characterized,
that two Hall sensors (H) on the axis of the desired position (SL) or two pairs of two Hall sensors (H1, H2 and H3, H4) diametrically opposite each other with the same radial basic offset (e 0 , -e 0 ) are arranged axially different distances axially from the permanent magnet ( 1 ) and
that the angle of inclination (α) from a different parallel offset (e 1 , e 2 ) detected with the two Hall sensors (H) or the two pairs of the Hall sensors (H1, H2 or H3, H4) according to the relationship
is determinable.
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Paare aus sich diametral bezüglich der Achse der Soll-Lage (SL) radial von dieser gleich weit beabstandeten Hallsensoren (H1, H2; H5, H6) unter einem Umfangswinkel von 90° gegeneinander versetzt (Rich tungen x, y) angeordnet sind und
daß aus den mit den beiden Paaren erfaßten Parallelversätzen (ex, ey) der gesamte Parallelversatz (eges) gemäß der Beziehung
ermittelbar ist.5. Measuring arrangement according to one of claims 1, 3 or 4,
characterized,
that two pairs of diametrically with respect to the axis of the target position (SL) radially from this equally spaced Hall sensors (H1, H2; H5, H6) offset from one another at a circumferential angle of 90 ° (directions x, y) and
that from the parallel offsets (e x , e y ) recorded with the two pairs, the total parallel offset (e tot ) according to the relationship
can be determined.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hallsensoren (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) in einem Meßkopf aus nichtmagnetischem Material aufgenommen sind und
daß jedem Hallsensor (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) ein Vorverstärker zugeordnet ist. 6. Measuring arrangement according to one of the preceding claims,
characterized,
that the Hall sensors (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) are accommodated in a measuring head made of non-magnetic material and
that each Hall sensor (H, H1, H2, H3, H4, H5, H6) is assigned a preamplifier.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1997141579 DE19741579A1 (en) | 1997-09-20 | 1997-09-20 | System to determine position of permanent magnet |
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|---|---|
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| DE1997141579 Withdrawn DE19741579A1 (en) | 1997-09-20 | 1997-09-20 | System to determine position of permanent magnet |
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- 1997-09-20 DE DE1997141579 patent/DE19741579A1/en not_active Withdrawn
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