DE212013000100U1

DE212013000100U1 - Vorrichtung zur Erfassung einer Winkellage

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Publication number: DE212013000100U1
Application number: DE201321000100
Authority: DE
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH; Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH; TE Connectivity Corp
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2015-03-23
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: CN103376051A; CN103376051B; EP2839246A1; WO2013156916A1

Abstract

Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle (108), umfassend: eine Anzeigeschaltung (508) zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung (102), die auf der drehbaren Welle (108) befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und eine Anpassungsschaltung (504) zum Anpassen des binären Zustandssignals, um Abweichungen der Einsatzbedingungen des Sensors auszugleichen; wobei sich das binäre Zustandssignal im ersten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle innerhalb des Winkellagebereiches ist, und sich das binäre Zustandssignal im zweiten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle außerhalb des Winkellagebereiches ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Lageerfassungsvorrichtung im Allgemeinen und eine Lageerfassungsvorrichtung zur Erkennung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle.
Hintergrund der Offenbarung
Die Verwendung von Lageerfassungsvorrichtungen zur Winkellageerkennung einer drehbaren Welle ist in der Fachwelt bekannt.
Herkömmlicherweise werden mechanisch kontaktierte Lageerfassungsvorrichtungen verwendet, um Winkellagen einer drehbaren Welle zu erkennen. Allerdings weisen mechanisch kontaktierte Lageerfassungsvorrichtungen einige Mängel auf, wozu mechanische Abnutzung, geringe Winkelgenauigkeit und Verlässlichkeit sowie fehlende Diagnosemöglichkeit gehören.
Es wurde Die Verwendung einer elektronischen Erfassungsvorrichtung vorgeschlagen, um einzelne Winkellagen einer drehbaren Welle zu erkennen. Jedoch krankt die vorgeschlagene elektronische Erfassungsvorrichtung an der praktischen Durchführbarkeit und der mangelhaften Leistung, wenn sie auf abweichende Einsatzbedingungen stößt.
Es besteht daher ein Bedarf, Lageerfassungsvorrichtungen bereitzustellen, die die Mängel bei den bestehenden Lageerfassungsvorrichtungen zur Erkennung von Winkellagen einer drehbaren Welle zu beseitigen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle vor, umfassend:
eine Anzeigeschaltung zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung, die auf der drehbaren Welle befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und
eine Anpassungsschaltung zum Anpassen des binären Zustandssignals, um Abweichungen der Einsatzbedingungen des Sensors auszugleichen;
wobei sich das binäre Zustandssignal im ersten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle innerhalb des Winkellagebereiches ist, und sich das binäre Zustandssignal im zweiten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle außerhalb des Winkellagebereiches ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle vor, auf der eine Magnetvorrichtung befestigt ist, das folgende Schritte umfasst:
Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung, die auf der drehbaren Welle befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und
Anpassung des binären Zustandssignals, um Abweichungen der Einsatzbedingungen des Sensors auszugleichen;
wobei sich das binäre Zustandssignal im ersten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle innerhalb des Winkellagebereiches ist, und sich das binäre Zustandssignal im zweiten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle außerhalb des Winkellagebereiches ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt umfasst das Verfahren des Weiteren folgende Schritte:
Erzeugung einer oder mehrerer Referenzspannungen;
Vergleich der erfassten Spannung mit der einen oder den mehreren Referenzspannungen im Feldeinsatz;
Erzeugung eines ersten binären Ausgangs oder eines zweiten binären Ausgangs aufgrund des Vergleichsergebnisses im Feldeinsatz.
Gemäß einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle vor, auf der eine Magnetvorrichtung befestigt ist, das folgende Schritte umfasst:
Erzeugung einer Funktionslinie, wenn die zweipolige Magnetvorrichtung in einem Simulations- oder Kalibriervorgang um die drehbare Welle rotiert;
Erzeugung einer oder mehrerer Referenzspannungen basierend auf einer Funktionslinie im Simulations- oder Kalibriervorgang;
Drehen der drehbaren Welle um einen Winkel im Feldeinsatz;
Erfassen einer Spannung als Reaktion auf Änderungen der magnetischen Flussdichte bedingt durch die Drehung der Magnetvorrichtung im Feldeinsatz;
Vergleich der erfassten Spannung mit der einen oder den mehreren Referenzspannungen im Feldeinsatz;
Erzeugung eines ersten binären Ausgangs oder eines zweiten binären Ausgangs aufgrund des Vergleichsergebnisses im Feldeinsatz.
Gemäß einem vierten Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle vor, umfassend:
eine Anzeigeschaltung zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung, die auf der drehbaren Welle befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und
ein Speichermittel zur Bereitstellung von mindestens zwei Referenzspannungspunkten mit einem ersten Referenzspannungspunkt und einem zweiten Referenzspannungspunkt, die zwei Referenzspannungspunkte auf einer linearen Funktionslinie darstellen;
eine Erfassungsvorrichtung zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang zweier Dimensionen, wenn die zweipolige Magnetvorrichtung um die drehbare Welle rotiert; und
ein Vergleichsmittel zum Vergleichen der Spannung des erfassten elektrischen Signals mit den beiden Referenzspannungspunkten;
wobei die Anzeigeschaltung den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten Referenzspannungspunkt oder dem zweiten Referenzspannungspunkt übereinstimmt; die Anzeigeschaltung den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals außerhalb des Bereiches des ersten Referenzspannungspunktes und des zweiten Referenzspannungspunktes liegt.
Gemäß einem fünften Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle vor, umfassend:
eine Anzeigeschaltung zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung, die auf der drehbaren Welle befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und
eine Schwellenschaltung zur Bereitstellung einer Schwellenspannung auf einer kurvenförmigen Funktionslinie; und
eine Erfassungsvorrichtung zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang einer Dimension, wenn der zweipolige Magnet (304A, 304B) um die drehbare Welle rotiert;
wobei die Anzeigeschaltung den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals oberhalb (oder unterhalb) der Schwellenspannung liegt, und den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals unterhalb (oder oberhalb) der Schwellenspannung liegt.
Durch die Bereitstellung des Sensors und der entsprechenden Verfahren beseitigt die vorliegende Offenbarung die oben genannten Mängel im bestehenden Stand der Technik.
Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 ein Lageerfassungssystem 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer Seitenansicht der drehbaren Welle 108 im Lageerfassungssystem 100;
2 das Lageerfassungssystem 100 von 1 mit einer Draufsicht auf die in 1 dargestellte drehbare Welle 108;
3 das Lageerfassungssystem 100 mit einer Schnittansicht der in 2 dargestellten drehbaren Welle 108 entlang der Linie A-A in 2;
4A–B eine Detailansicht der Magnetvorrichtung 102 und der Erfassungsvorrichtung 104 der 1–3;
5A eine Detailansicht einer Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung 106 im Lageerfassungssystem 100;
5B eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung 106 im Lageerfassungssystem 100;
6 eine Detailansicht der in 5 dargestellten Verarbeitungseinheit 504;
7A–C den Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang anhand zweier Funktionslinien, die als Reaktion auf die auf Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfeldes entlang zweier Dimensionen gebildet werden;
8A–B den Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang anhand einer Funktionslinie, die als Reaktion auf die auf Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfeldes entlang einer Dimension gebildet wird;
9A–B die Verwendung entweder eines positiven binären Zustandssignals 107 oder eines negativen binären Zustandssignals 107, um den Drehbereich für die in den 1–3 dargestellte drehbare Welle 108 zu kennzeichnen; und
10 ein Motorsteuersystem 900, in dem der Ausgang 111 der in den 1–3 dargestellten Verarbeitungsschaltung 106 zur Steuerung des Motors in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Ausführungsformen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. In der ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen werden richtungsweisende Begriffe wie „oben”, „unten”, „oberhalb”, „unterhalb”, „links”, „rechts” usw. in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Bauteile von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sein können, werden die richtungsweisenden Begriffe zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Wo immer dies möglich ist, werden in den gesamten Zeichnungen dieselben oder ähnliche Bezugsziffern und -symbole verwendet, um auf dieselben oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
1 stellt ein Lageerfassungssystem 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung dar und zeigt eine Seitenansicht der drehbaren Welle 108 im Lageerfassungssystem 100.
In 1 umfasst das Lageerfassungssystem 100 eine Magnetvorrichtung 102, eine Erfassungsvorrichtung 104 und eine Verarbeitungsschaltung 106. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist über eine Verbindung 109 mit der Verarbeitungsschaltung 106 elektrisch verbunden, und die Magnetvorrichtung 102 ist auf der drehbaren Welle 108 befestigt und angepasst, um gemeinsam mit der drehbaren Welle 108 um die Achse 112 (wie in 3 gezeigt) der drehbaren Welle 108 zu rotieren. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist oberhalb der Magnetvorrichtung 102 angeordnet und von dieser durch einen Abstand (oder Luftspalt) 183D getrennt. Wenn sich die Magnetvorrichtung 102 um die Achse 112 der drehbaren Welle 108 zu einer Position (oder einer Erkennungsposition) dreht, an der sich die Erfassungsvorrichtung 104 befindet, kann sie Änderungen der magnetischen Flussdichte bewirken, was wiederum zu Änderungen des Magnetfelds führt. Die Erfassungsvorrichtung 104 kann elektrische Signale (wie zum Beispiel PWM, GESENDET usw.) erzeugen, wenn sie den Änderungen der magnetischen Flussdichte durch die Magnetvorrichtung 102 ausgesetzt ist. Die Erfassungsvorrichtung 104 kann als beispielhafte Ausführungsform eine Hall-Effekt-Schaltanordnung enthalten, um elektrische Signale als Reaktion auf Änderungen des Magnetfelds zu erzeugen, welche durch die Änderungen der magnetischen Flussdichte bewirkt werden. Die Erfassungsvorrichtung 104 legt die erfassten elektrischen Signale an die Verarbeitungsschaltung 106 an, die wiederum ein binäres Zustandssignal 110 an ihrer Ausgangsklemme (d. h. der Verbindung 111) erzeugt als Reaktion auf die erfassten elektrischen Signale.
Wie in 1 dargestellt, kann sich die drehbare Welle 108 linear in ihrer Längsrichtung bewegen und um ihre Achse 112 (wie in 3 gezeigt) rotieren. Wenn sich die drehbare Welle 108 linear in ihrer Längsrichtung bewegt, erhält die Verarbeitungsschaltung 106 ihr binäres Spannungszustandssignal an ihrem Ausgang 111 aufrecht. Mit anderen Worten, der binäre Zustandsausgang 111 der Verarbeitungsschaltung 106 ändert nicht dessen binären Zustandsausgang als Reaktion auf die lineare Bewegung der drehbaren Welle 108, da die Erfassungsvorrichtung 104 keine Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfeldes aufgrund der linearen Bewegung der drehbaren Welle 108 erkennen kann. Wenn die drehbare Welle 108 um ihre Achse 112 rotiert, kann jedoch die Verarbeitungsschaltung 106 an ihrem Ausgang 111 ihren binären Spannungszustand je nach Drehwinkel der drehbaren Welle 108 zwischen V_hoch und V_niedrig ändern. Mit anderen Worten, die Verarbeitungsschaltung 106 wechselt ihren binären Zustandsausgang 111 zwischen V_hoch und V_niedrig als Reaktion auf den Drehwinkel der drehbaren Welle 108.
2 stellt das Lageerfassungssystem 100 von 1 dar und zeigt die Draufsicht auf die drehbare Welle 108. In der Draufsicht auf die drehbare Welle 108 sollte die Erfassungsvorrichtung 104 in einer Position oberhalb der Magnetvorrichtung 102 (mit dem Abstand 183D) gezeichnet sein. Zur besseren Veranschaulichung des Prinzips der vorliegenden Offenbarung ist die Erfassungsvorrichtung 104 jedoch beispielhaft auf der lateralen Seite der drehbaren Welle 108 in 2 angeordnet, allerdings mittels einer gestrichelten Linie 129, um das Positionsverhältnis von oberhalb und unterhalb zwischen der Magnetvorrichtung 102 und der Erfassungsvorrichtung 104 wiederzugeben.
Wie in 2 dargestellt, weist die Magnetvorrichtung 102 eine Länge L in Längsrichtung der drehbaren Welle 108 auf, um sicherzustellen, dass sich die Erfassungsvorrichtung 104 stets im effektiven Erkennungsbereich der Magnetvorrichtung 102 befindet, wenn sich die drehbare Welle 108 linear in ihrer Längsrichtung bewegt. Die gestrichelte Linie 114 zeigt eine Mittelachse in Längsrichtung der drehbaren Welle 108 an, und die gestrichelten Linien 115 und 117 definieren einen Drehbereich (–L1, +L1) von Interesse. Mit anderen Worten, wenn sich die drehbare Welle 108 links und rechts um die Achse 112 dreht, dreht sich die Mittelachse 114 zu den gestrichelten Linien 115 bzw. 117.
3 stellt das Lageerfassungssystem 100 von 2 dar und zeigt die Schnittansicht der drehbaren Welle 108 entlang der Linie A-A in 2.
Wie in 3 dargestellt, kann sich die drehbare Welle 108 von ihrer Mittelstellung (wie durch die Mittelachse 113 in Durchmesserrichtung der drehbaren Welle 108 auf der drehbaren Welle 108 angezeigt) nach links drehen, bis sie ihre linke Drehbegrenzung –Lm erreicht (wie durch die gestrichelte Linie 121 angezeigt) oder nach rechts drehen, bis sie ihre rechte Drehbegrenzung +Lm erreicht (wie durch die gestrichelte Linie 123 angezeigt). Die Mittelachse 113 geht durch die Achse 112 der drehbaren Welle 108 hindurch und durchschneidet diese. Somit definieren die beiden gestrichelten Linien 121 und 123 einen gesamten Drehbewegungsbereich (–Lm, +Lm) für die drehbare Welle 108. Innerhalb des gesamten Drehbewegungsbereiches (–Lm, +Lm) definieren die beiden gestrichelten Linien 115 und 117 einen inneren Drehbewegungsbereich oder Drehbereich (–L1, +L1) für die drehbare Welle 108. In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind der gesamte Drehbewegungsbereich und der innere Drehbewegungsbereich symmetrisch in Bezug auf die Achse 112 und die Mittelachse 113 der drehbaren Welle 108. Das heißt, die Drehbereiche zwischen –Lm und –L1 entsprechen denjenigen zwischen +Lm bzw. +L1 in Bezug auf die Achse 112 und die Mittelachse 113. Asymmetrische Anordnungen der Drehbewegungsbereiche sind jedoch für einen Fachmann denkbar. Darüber hinaus ist es möglich, den gesamten Drehbewegungsbereich (–Lm, +Lm) der drehbaren Welle 108 auf 360 Grad zu erweitern. Um die Positionsverhältnisse zwischen den Bauteilen in den 1–3 eindeutig zu definieren, ist zu beachten, dass die Mittelachse 113 in Durchmesserrichtung der drehbaren Welle 108 eine gerade Linie ist, die durch die Achse 112 hindurchgeht und senkrecht zur Mittelachse 114 in Längsrichtung der drehbaren Welle 108 liegt (siehe 2).
Zusammenwirkend können die Erfassungsvorrichtung 104 und die Verarbeitungsschaltung 106 die Winkellage der drehbaren Welle 108 erkennen und ein binäres Zustandsanzeigesignal 107 am Ausgang 111 erzeugen. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann insbesondere einen ersten Signalzustand erzeugen (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt), wenn sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet; die Verarbeitungsschaltung 106 erzeugt einen zweiten Signalzustand (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt), wenn sich die drehbare Welle 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet. Das binäre Zustandsanzeigesignal 107 wird anschließend über die Ausgangsklemme 111 der Verarbeitungsschaltung 106 an ein Motorsteuergerät angelegt (wie in 10 dargestellt).
4A zeigt eine Ausführungsform der in den 1–3 dargestellten Magnetvorrichtung 102 und Erfassungsvorrichtung 104. Wie in 4A dargestellt, umfasst die Magnetvorrichtung 102 einen Magneten 304A mit einem Südpol und einem Nordpol. Der Südpol des Magneten 304A ist mit der Fläche der drehbaren Welle 108 verbunden. Die Stirnfläche 305 der Erfassungsvorrichtung 104 und die Fläche des Nordpols des Magneten 304A sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der Südpol und Nordpol des Magneten 304A sind zur Mittelachse 113 auf der drehbaren Welle 108 ausgerichtet. Die Erfassungsvorrichtung 104 ist von dem Magneten 304A durch einen Abstand (oder Luftspalt) 183D getrennt und koplanar mit dem Magneten 304A. Wie in 2 dargestellt, weist der Magnet 304A eine Länge L und eine Mittelachse 114 in Längsrichtung der drehbaren Welle 108 auf. Um die Änderungen der magnetischen Flussdichte durch den Magneten 304A effektiver zu erkennen, ist bei einer Ausführungsform der Empfindlichkeitspunkt der Erfassungsvorrichtung 104 zur Mittelachse 114 des Magneten 304A ausgerichtet.
Die Erfassungsvorrichtung 104 umfasst einen Fühler 302, der eine Hall-Effekt-Erfassungsvorrichtung oder eine magnetoresistive (MR) Erfassungsvorrichtung sein kann, die ein elektrisches Signal erzeugen kann, wenn sie einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt ist. Insbesondere kann eine Hall-Effekt-Erfassungsvorrichtung 302 eine stromführende Halbleitermembran sein, um eine niedrige Spannung senkrecht zum Stromfluss zu erzeugen, wenn sie Änderungen der magnetischen Flussdichte/Änderungen des Magnetfelds senkrecht zur Fläche der Membran ausgesetzt ist. Wie in 4A dargestellt, erfolgen die Änderungen der magnetischen Flussdichte/Änderungen des Magnetfelds innerhalb des Luftspalts 183D entlang dreier Dimensionen 303 (B_x, B_y, B_z). Die Erfassungsvorrichtung 104 ist typischerweise so gestaltet, dass sie die Änderungen des Magnetfelds entlang einer der Dimensionen B_x oder B_y oder beider Dimensionen erkennen kann. Der Fühler 302 kann auf einer Erkennungsposition ausgebildet sein, die empfindlich auf die durch den rotierenden Magneten 304A hervorgerufenen Änderungen der magnetischen Flussdichte/Änderungen des Magnetfelds reagiert. In 4A steht B für magnetische Flussdichte; B_x kennzeichnet die Messung der magnetischen Flussdichte in radialer Richtung der Welle 108 und senkrecht zum Fühler 302; und B_y kennzeichnet die Messung der magnetischen Flussdichte, die tangential zur Welle 108 und koplanar zum Fühler 302 ist.
4B zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Magnetvorrichtung 102. Bei der Magnetvorrichtung 102 und der Erfassungsvorrichtung 104 in 4Bhandelt es sich um die gleichen wie sie in 4A dargestellt sind, mit der Ausnahme, dass sich die Ausrichtung des Magneten 304B von derjenigen des Magneten 304A in 4A unterscheidet. Wie in 4B dargestellt, umfasst die Magnetvorrichtung 102 einen Magneten 304B mit einem Nordpol und einem Südpol. Der Nordpol des Magneten 304B ist mit der Fläche der drehbaren Welle 108 verbunden. Die Fläche 305 der Erfassungsvorrichtung 104 und die Fläche des Südpols des Magneten 304B sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der Nordpol und Südpol des Magneten 304B sind zur Mittelachse 113 auf der drehbaren Welle 108 ausgerichtet. Nach dem gleichen Prinzip, wie es im Zusammenhang mit 4A beschrieben ist, ändert sich das magnetische Feld innerhalb des Luftspalts entlang dreier Dimensionen 303 (B_x, B_y, B_z). Die Erfassungsvorrichtung 104 ist so gestaltet, dass sie die Änderungen des Magnetfelds entlang einer der Dimensionen B_x oder B_y oder beider Dimensionen erkennen kann.
5A zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung 106 im Lageerfassungssystem 100. Wie in 5A dargestellt, umfasst die Verarbeitungsschaltung 106 einen A/D-Wandler 502, eine digitale Verarbeitungseinheit 504 und eine Anzeigeschaltung 508, die alle über Verbindungen 503, 505 und 507 elektronisch miteinander verbunden sind. Durch die elektrische Verbindung mit der Erfassungsvorrichtung 104 über die Verbindung 109 empfängt der A/D-Wandler 502 analoge elektronische Signale als Eingänge von der Erfassungsvorrichtung 104, verarbeitet die analogen elektronischen Signale zu digitalen elektronischen Signalen und legt die digitalisierten elektronischen Signale über die Verbindung 503 an die Verarbeitungseinheit 504 an. Anschließend verarbeitet die Verarbeitungseinheit 504 die digitalisierten elektronischen Signale, um zu ermitteln, ob sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet. Auf der Grundlage dieser Ermittlung setzt die Verarbeitungseinheit 504 den binären Zustandsausgang 111 der Anzeigeschaltung 508 auf einen ersten Signalzustand (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt), wenn sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet; die Verarbeitungseinheit 504 setzt den binären Zustandsausgang 111 der Anzeigeschaltung 508 auf einen zweiten Signalzustand (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt), wenn sich die drehbare Weile 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet.
Insbesondere kann der binäre Zustandsausgang 111 der Anzeigeschaltung 508 entweder auf einen hohen Spannungszustand (V_hoch) oder einen niedrigen Spannungszustand (V_niedrig) gesetzt werden in Abhängigkeit der beiden Steuersignale auf den Verbindungen 505 und 507, und zwar des Steuersignals (mit einem ersten Steuersignalzustand und einem zweiten Steuersignalzustand) auf der Verbindung 505 und des Auslösesignals (oder eines Auslöseimpulses) auf der Verbindung 507. Wenn die Verarbeitungseinheit 504 einen Auslöseimpuls an die Verbindung 507 und ein Zustandssteuersignal an die Verbindung 505 anlegt, wird die Anzeigeschaltung 508 auf einen Spannungszustand gesetzt, der derselbe ist wie derjenige des Zustandssteuersignals wie an die Verbindung 505 angelegt. Wenn kein Auslösesignal an die Verbindung 507 angelegt wird, behält die Anzeigeschaltung 508 unabhängig von dem an die Verbindung 505 angelegten Zustandssignal ihren aktuellen Ausgangszustand bei. Als Ausführungsform kann die logische Funktion der Anzeigeschaltung 508 dadurch verwirklicht werden, dass ein JK-Register oder ein D-Register verwendet wird.
Wenn daher die Verarbeitungseinheit 504 ermittelt, dass sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, legt sie einen ersten Steuersignalzustand (ein hohes Steuerzustandsignal oder ein niedriges Steuerzustandsignal) an die Verbindung 505 und ein Auslösesignal an die Verbindung 507 an, wodurch die Anzeigeschaltung 508 auf den ersten Signalzustand (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) gesetzt wird. Wenn die Verarbeitungseinheit 504 ermittelt, dass sich die drehbare Welle 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, legt sie einen zweiten Steuersignalzustand (ein niedriges Steuerzustandsignal oder ein hohes Steuerzustandsignal) an die Verbindung 505 und ein Auslösesignal an die Verbindung 507 an, wodurch die Anzeigeschaltung 508 auf den zweiten Signalzustand (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) gesetzt wird.
5B zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung 106 im Lageerfassungssystem 100. Wie in 5B dargestellt, umfasst die Verarbeitungsschaltung 106' eine analoge Verarbeitungseinheit 924 und eine Polaritätsschaltung 928. Die analoge Verarbeitungseinheit 924 weist einen Eingang auf, der mit der Verbindung 109 gekoppelt ist, sowie einen Ausgang, der mit der Polaritätsschaltung 928 über eine Verbindung 925 gekoppelt ist. Die Polaritätsschaltung 928 weist einen Ausgang auf, der mit der Ausgangsklemme 111 gekoppelt ist.
Die analoge Verarbeitungseinheit 924 empfängt von der Erfassungsvorrichtung 104 elektronische Signale und verarbeitet diese, um ein erstes Zustandsauslösesignal zu erzeugen, wenn sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, und um ein zweites Zustandsauslösesignal zu erzeugen, wenn sich die drehbare Welle 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet. Als Reaktion auf das erste Zustandsauslösesignal wird die Polaritätsschaltung 928 auf ein erstes Zustandssignal (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) gesetzt; als Reaktion auf das zweite Zustandsauslösesignal wird die Polaritätsschaltung 928 auf ein zweites Zustandssignal (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) gesetzt. Die Verarbeitungseinheit 924 umfasst eine Schwellenschaltung, um eine Schwellenspannung festzulegen.
Insbesondere wird eine Schwellenspannung nach dem Verfahren im Zusammenhang mit der Beschreibungen in Bezug auf die 8A–B kalibriert (oder simuliert). Die kalibrierte (oder simulierte) Schwellenspannung wird anschließend in der Verarbeitungseinheit 924 eingestellt. Wenn die erfasste Spannung aus der Erfassungsvorrichtung 104 größer als oder gleich der Schwellenspannung ist, erzeugt die analoge Verarbeitungseinheit 924 ein erstes Zustandsauslösesignal, um die Polaritätsschaltung 928 auf ein erstes Zustandssignal (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) zu setzen. Wenn die erfasste Spannung aus der Erfassungsvorrichtung 104 niedriger als die Schwellenspannung ist, erzeugt die analoge Verarbeitungseinheit 924 ein zweites Zustandsauslösesignal, um die Polaritätsschaltung 928 auf ein zweites Zustandssignal (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) zu setzen.
Die analoge Verarbeitungseinheit 924 kann unter Verwendung eines Tiefpassfilters oder einer ähnlichen Vorrichtung verwirklicht werden.
6 zeigt eine Detailansicht der in 5 dargestellten Verarbeitungseinheit 504. Wie in 6 dargestellt, umfasst die Verarbeitungseinheit 504 einen Prozessor (oder CPU) 602, ein Register 604, eine Speichereinrichtung 606, eine Ein-/Ausgabeschaltung 608 und eine Sammelleitung 610. Der Prozessor 602, das Register 604, die Speichereinrichtung 606 und die Ein-/Ausgabeschaltung 608 sind mit der Sammelleitung 610 über Verbindungen 603, 605, 607 bzw. 609 gekoppelt. Die Speichereinrichtung 606 kann Programme (d. h. einen Befehlssatz), Parameter (wie zum Beispiel die in den 7B und 8A dargestellten Referenzspannungen) und Daten (einschließlich der digitalisierten elektronischen Signale) speichern, die Register 604 können die Parameter und Daten speichern (oder in den Cachespeicher aufnehmen), und die Ein-/Ausgabeschaltung 608 kann Eingangssignale in der Verarbeitungseinheit 504 empfangen und Ausgangssignale von dieser senden (zum Beispiel an die Verbindungen 505 und 507). Über einen oder mehrere CPU-Arbeitszyklen können die Register 604 Signale basierend auf dem darin gespeicherten Inhalt bereitstellen oder zurückhalten, so dass der Prozessor 602 innerhalb der CPU-Arbeitszyklen Operationen ausführen kann.
Durch die Ausführung der in der Speichereinrichtung 606 gespeicherten Programme kann der Prozessor (oder CPU) 602 die Operation der Register 604, der Speichereinrichtung 606 und der Ein-/Ausgabeschaltung 608 steuern und Lese-/Schreiboperationen auf den Registern 604 und der Speichereinrichtung 606 ausführen. Die Ein-/Ausgabeschaltung 608 kann vom A/D-Wandler 502 Eingangssignale empfangen und die Ausgangssignale an die Anzeigeschaltung 508 senden. Zur Ausführung einer Vergleichslogikoperation umfasst der Prozessor (oder CPU) 602 eine logische Operationseinheit (nicht dargestellt) mit einem Komparator 612, der den Vergleichsvorgang aus zwei Eingangsquellen 613 und 615 ausführen kann, um ein Vergleichsergebnis am Ausgang 617 zu erzeugen. Auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses am Ausgang 617 kann der Prozessor (oder CPU) 602 die Folgeoperation festlegen. Insbesondere kann der Prozessor (oder CPU) 602 auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse ein gewünschtes Zustandssteuersignal und das Auslösesignal (oder einen Auslöseimpuls) erzeugen und diese an die Verbindungen 505 und 507 senden.
7A zeigt zwei Funktionslinien (704, 706), die von der Erfassungsvorrichtung 104 als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfelds im Luftspalt 183D entlang der Dimensionen B_x und B_y erzeugt werden. Insbesondere wenn die Magnetvorrichtung 102 kontinuierlich um die Achse 112 der drehbaren Welle 108 rotiert, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 elektrische Signale (oder Ausgangsspannungen), die der kosinusförmigen Funktionslinie 704 und einer sinusförmigen gekrümmten Funktionslinie 706 entsprechen, als Reaktion auf die und proportional zu den Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfelds, die von der Magnetvorrichtung 102 entlang der Dimensionen B_x bzw. B_y erzeugt werden. Diese beiden Funktionslinien 704 und 706 können mit einem Oszilloskop beobachtet werden, während die Magnetvorrichtung 102 um die Achse 112 rotiert, wenn der Ausgang (an der Verbindung 109) der Erfassungsvorrichtung 104 an das Oszilloskop angelegt wird. In dem wie in 7A dargestellten Koordinatensystem zeigt die Y-Koordinate die Spannungsänderungen auf der kosinusförmigen Linie 704 und der sinusförmigen Linie 706 an, wohingegen die X-Koordinate die Drehwinkeländerungen der drehbaren Welle 108 anzeigt. In einer Ausführungsform kann die Erfassungsvorrichtung 104 dadurch verwirklicht werden, dass handelsübliche 3D-Hall-Sensoren eingesetzt werden, wobei allerdings nur deren Verarbeitungsmöglichkeiten in zwei Dimensionen (d. h. der X- und Y-Dimensionen) genutzt werden. Auf diese Weise werden Kosten für die Schaltungsentwicklung eingespart und die Implementierungszeit verkürzt.
7B zeigt einen Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang zur Erzeugung einer linearen Funktion 722 vor dem Einbau des Lageerfassungssystems 100 im Feldeinsatz. Bei der Ausführung des Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgangs verarbeitet eine Verarbeitungsvorrichtung (wie zum Beispiel die Verarbeitungsschaltung 106 mit der Verarbeitungseinheit 504) die beiden analogen elektronischen Signalsätze, die der kosinusförmigen Linie 704 und einer sinusförmigen Linie 706 (wie in 7A dargestellt) entsprechen, um eine lineare Funktionslinie 722 zu erzeugen. Es versteht sich, dass es sich bei den in 7B dargestellten Spannungsänderungen um Ausgänge/elektronische Signale handelt, die proportional zu den Änderungen der magnetischen Flussdichte B_x und B_y entlang der beiden X- und Y-Dimensionen sind. In dem Koordinatensystem für die lineare Funktionslinie 722 wie in 7B dargestellt zeigt die Y-Koordinate die Spannungsänderungen auf der linearen Funktionslinie 722 an, wohingegen die X-Koordinate die Drehwinkeländerungen der drehbaren Welle 108 anzeigt.
Insbesondere empfängt der A/D-Wandler 502 in der Verarbeitungsschaltung 106 aus der Erfassungsvorrichtung 104 die beiden Sätze der analogen elektronischen Signale (die der kosinusförmigen Linie 704 und sinusförmigen Linie 706 entsprechen), wandelt sie in zwei Sätze von digitalen elektronischen Signalen um und legt die beiden Sätze der digitalisierten elektronischen Signale an die Ein-/Ausgabeschaltung 608 in der Verarbeitungseinheit 504 an. Nach Empfang der beiden Sätze der digitalisierten elektronischen Signale speichert der Prozessor (CPU) 602 in der Verarbeitungseinheit 504 diese in der Speichereinrichtung 606 und wandelt die beiden Sätze der digitalisierten elektronischen Signale anschließend in einen Satz der elektronischen Signale um, die der in 7B gezeigten linearen Funktionslinie 722 entspricht. Der Prozessor (CPU) 602 in der Verarbeitungseinheit 504 wandelt die beiden Sätze der digitalisierten elektronischen Signale unter Anwendung eines mathematischen Gleichungssystems wie folgt um: Ausgangsspannung.₁(V.₁) = eine Funktion des Winkels = m × (Winkel) + b = m × θ + b (1) tan(θ) = sin(θ)/cos(θ) = B_x/B_y (2) θ = arctan(θ) = arc(sin(θ)/cos(θ)) = arc(B_x/B_y) (3) Ausgangsspannung.₁(V.₁) = m × arc((sin(θ)/cos(θ)) = m × arc(B_x/B_y) + b (4) Ausgangsspannung.₂(V.₂) = m × arc(k × (sin(θ)/cos(θ)) + b = m × arc[k × (B_x/B_y)] + b (5)
Bei dem Vorgang, der in den oben aufgeführten fünf Gleichungen wiedergegeben ist, sind m, b und k drei kalibrierte/simulierte lineare Funktionskonstanten, wobei m für die Steigung der linearen Funktion steht, b den Anfangspunkt des Ausgangs in Bezug auf den gemessenen Winkel definiert, und k eine Konstante ist, die zum Anpassen/Ausgleichen der Funktionslinie 722 hinsichtlich ihrer Linearität verwendet wird, um den Winkellagebereich bei Abweichungen der Einsatzbedingungen genau wiederzugeben; sin(θ) und cos(θ) stellen die in 7A gezeigten Funktionslinien 704 bzw. 706 dar; die Gleichung (4) gibt die durch die Funktionslinie 722 in 7B dargestellten Spannungsausgänge an; und die Gleichung (5) steht für die Spannungsausgänge mit Anpassung/Ausgleich anhand der Konstanten k. Wenn k gleich 1 ist, dann ist die Gleichung (4) gleich der Gleichung (5). Indem eine andere Konstante k gesetzt wird, werden die beiden Referenzspannungen auf der Funktionslinie 722 angepasst/ausgeglichen, so dass die Weite und der Versatz (Lageversatz) der binären Zustandsausgänge als Reaktion auf die Abweichungen der Einsatzbedingungen angepasst/ausgeglichen werden können.
Zur weiteren Umwandlung des linearen Funktionsausgangs in einen binären Zustandsausgang ermittelt der Prozessor (CPU) 602 des Weiteren zwei Referenzspannungspunkte (oder zwei Referenzspannungen) V_f1 und V_f2 im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang. Insbesondere werden, wie in 7B dargestellt, die Referenzspannungen V_f1 und V_f2 in Bezug auf die beiden Drehwinkel ermittelt, die den gestrichelten Linien 115 (–L1) bzw. 117 (+L1) entsprechen. Um die gestrichelten Linien 115 und 117 symmetrisch zum Mittendrehwinkel halten, der der gestrichelten Linie 113 entspricht, kann der Prozessor (CPU) 602 zunächst die Mittenreferenzspannung V_c in Bezug auf die gestrichelte Linie 113 auf der drehbaren Welle 108 ermitteln. Mit der Mittenreferenzspannung V_c ermittelt der Prozessor (CPU) 602 anschließend die beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2, die in Bezug auf die Mittenreferenzspannung V_c symmetrisch angeordnet sind.
7C zeigt ein Schema zur Bildung eines binären Zustandssignals 107 mit einem ersten Signalzustand (einer hohen Spannung V_hoch) und einem zweiten Signalzustand (einer niedrigen Spannung V_niedrig) auf der Grundlage der linearen Funktionslinie 722 im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang. Wie in 7C dargestellt, wird das binäre Zustandssignal 107 gebildet durch Zuordnung aller Spannungspunkte (oder Spannungen) auf der linearen Funktionslinie 722, die den Referenzspannungspunkten (oder Spannungen) entsprechen oder dazwischen liegen, zu einem ersten binären Zustandssignal (einer hohen Spannung V_hoch); sowie durch Zuordnung aller Spannungspunkte (einschließlich der beiden Referenzspannungen) auf der linearen Funktionslinie 722, die kleiner als die erste Referenzspannung V_f1 oder größer als die zweite Referenzspannung V_f2 sind, zu einem zweiten binären Zustandssignal (einer niedrigen Spannung V_niedrig). Die in den 7B–C dargestellten elektronischen Signale können auch mit einem Oszilloskop beobachtet werden, wenn die Kalibrierungs-(oder Simulations-)Ausgänge an das Oszilloskop angelegt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ermittelt der Prozessor 602 zwei Paar Spannungspunkte auf der linearen Funktionslinie 722 im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang, wobei jedes von Spannungspunkten zu einem Cluster zusammengefasst ist (zum Beispiel in einem Abstand von 0,2 Grad). Der Prozessor 602 weist dann eine erste Referenzspannung ^Vf1 dem ersten Paar von Spannungspunkten zu und eine zweite Referenzspannung V_f2 dem zweiten Paar von Spannungspunkten. Solch ein Schema hat den Vorteil, dass es die bestehende 3D-Hall-Vorrichtung (bei der zwei Paar Referenzspannungen vorgesehen sind) zur Verwirklichung der Ausführungsformen einsetzen kann und auf diese Weise Kosten eingespart und die Entwicklungszeit verkürzt werden können.
Um den Abweichungen bei den Einsatzbedingungen im Lageerfassungssystem 100 (einschließlich der Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den verwendeten Bauteilen) zu begegnen (oder entgegenzuwirken), können in den 7A–C die Weite und der Versatz (Lageversatz) des binären Zustandssignals 107 durch Anpassung der linearen Funktionslinie 722 ausgeglichen werden, was die Anpassung/den Ausgleich der Mittenreferenzspannung V_c und der beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2 zur Folge hat. Der Versatz des binären Zustandssignals 107 bezieht sich hier auf die relative Lage des binären Zustandssignals 107 in Bezug auf den Drehwinkel der drehbaren Welle 108.
Nachdem diese beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2 im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang erzeugt worden sind, werden sie in der Speichereinrichtung 506 gespeichert, so dass die Verarbeitungsschaltung 504 sie später zur Erkennung des Drehbereiches der drehbaren Welle 108 im Feldeinsatz des Lageerfassungssystems 100 nutzen kann.
Es ist zu beachten, dass nach dem in den Gleichungen (1)–(5) wiedergegebenen Vorgang die beiden in 7A gezeigten gekrümmten Funktionslinien 704 und 706 in eine wie in 7B dargestellte lineare Funktionslinie 722 umgewandelt werden. Dabei ist hervorzuheben, dass die Verwendung einer linearen Funktion 722 zur Umwandlung eines Winkelbereiches in ein binäres Zustandssignal nicht oder weniger beeinflusst ist durch Änderungen der magnetischen Flussdichte aufgrund von Änderungen des Luftspalts, Temperaturwirkungen oder Magnetstörungen, was eine verbesserte Erkennungsgenauigkeit zur Folge hat. Es ist des Weiteren hervorzuheben, dass die Symmetrieeigenschaften des binären Zustandssignals 107 in Bezug auf die Mittelachse 113 mit dem in den 7A–7C dargestellten Schema ebenfalls besser angepasst und erhalten werden können.
8A zeigt eine in 7A dargestellte Funktionslinie (704 oder 706), die bei der Ausführung des Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgangs zur Erzeugung einer Schwellenreferenzspannung 712 (oder 714) verwendet wird. Insbesondere wenn die Magnetvorrichtung 102 kontinuierlich um die Achse 112 der drehbaren Welle 108 rotiert, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 elektrische Signale (oder Ausgangsspannungen), die der sinusförmigen Funktionslinie 704 entsprechen, als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte/Änderungen des Magnetfelds, welche von der Magnetvorrichtung 102 entlang der Dimension B_y erzeugt werden.
Bei der Ausführung des Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgangs verarbeitet eine Verarbeitungsvorrichtung (wie zum Beispiel die Verarbeitungsschaltung 106) die analogen elektronischen Signale, die der sinusförmigen Linie 706 (wie in 7A dargestellt) entsprechen, um eine Schwellenspannung 712 zu erzeugen. Insbesondere empfängt der A/D-Wandler 502 in der Verarbeitungsschaltung 106 aus der Erfassungsvorrichtung 104 elektronische Signale (die der sinusförmigen Linie 706 entsprechen), wandelt sie in zwei digitale elektronische Signale um und legt die digitalisierten elektronischen Signale an die Ein-/Ausgabeschaltung 608 in der Verarbeitungseinheit 504 an. Nach Empfang der digitalisierten elektronischen Signale speichert der Prozessor (CPU) 602 in der Verarbeitungseinheit 504 diese in der Speichereinrichtung 606 und wandelt die digitalisierten elektronischen Signale anschließend in die Schwellenspannung 712 unter Anwendung der folgenden mathematischen Formel (6) um: Schwellenspannung 712 = (Spannung Max 715 – Spannung Min 716) × (Prozentwert) (6)
In der vorliegenden Offenbarung wird ein Prozentwert von 70% gewählt.
8B zeigt ein Schema zur Bildung eines binären Zustandssignals 107 mit einem ersten Signalzustand (einer hohen Spannung V_hoch) und einem zweiten Signalzustand (einer niedrigen Spannung V_niedrig) auf der Grundlage der sinusförmigen Funktionslinie 706 im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang. Anhand der mathematischen Formel (6) erzeugt die in 5A dargestellte digitale Verarbeitungsschaltung 106 (oder die in 5B dargestellte analoge Verarbeitungsschaltung 106') das binäre Zustandssignal 107 durch Zuordnung aller Spannungspunkte (oder Spannungen) auf der positiven Halbwelle der sinusförmigen Linie 706, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung 712 sind, zu einem ersten binären Zustandssignal (einer hohen Spannung V_hoch); sowie durch Zuordnung aller Spannungspunkte (oder Spannungen) auf der positiven Halbwelle der sinusförmigen Linie 706, die kleiner als die Schwellenspannung 712 sind, zu einem zweiten binären Zustandssignal (einer niedrigen Spannung V_niedrig). Die in den 8A–B dargestellten elektronischen Signale können mit einem Oszilloskop beobachtet werden, wenn die Kalibrierungs-(oder Simulations-)Ausgänge an das Oszilloskop angelegt werden.
Auch wenn der Kalibrierungs-(Simulations-)Vorgang im Zusammenhang mit den 8A–B die erfassten elektrischen Signale auf der positiven Halbwelle der sinusförmigen Linie 706 verwendet, ist zu beachten, dass das Prinzip der vorliegenden Offenbarung gleichermaßen für die erfassten elektrischen Signale der negativen Halbwelle der sinusförmigen Linie 706 gilt. Bei Verwendung der der negativen Halbwelle der sinusförmigen Linie 706 sollte für die Schwellenspannung 712 eine mathematische Formel (7) wie folgt angewendet werden: Schwellenspannung 714 = (Spannung Max 718 – Spannung Min 720) × (Prozentwert) (7)
Anhand der mathematischen Formel (7) erzeugt die in 5A gezeigte digitale Verarbeitungsschaltung 106 (oder die in 5B gezeigte analoge Verarbeitungsschaltung 106') das binäre Zustandssignal 107 durch Zuordnung aller Spannungspunkte (oder Spannungen) auf der negativen Halbwelle der sinusförmigen Linie 706, die gleich der oder kleiner als die Schwellenspannung 714 sind, zu einem ersten binären Zustandssignal (einer hohen Spannung V_hoch); sowie durch Zuordnung aller Spannungspunkte (oder Spannungen) auf der negativen Halbwelle der sinusförmigen Linie 704, die größer als die Schwellenspannung 714 sind, zu einem zweiten binären Zustandssignal (einer niedrigen Spannung V_niedrig).
Um den Abweichungen der Einsatzbedingung des Lageerfassungssystems 100 (einschließlich der Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei Bauteilen) zu begegnen (oder entgegenzuwirken), kann in den 8A–B die Weite des binären Zustandssignals 107 durch Anpassung des Wertes der Schwellenspannung 412 ausgeglichen werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang erzeugte Schwellenspannung 712 (oder 714) in der Speichereinrichtung 606 gespeichert, so dass die Verarbeitungsschaltung 602 sie später zur Erkennung des Drehbereiches der drehbaren Welle 108 im Feldeinsatz nutzen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die im Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang erzeugte Schwellenspannung 712 (or 714) in der analogen Verarbeitungseinheit 924 festgelegt, so dass die analoge Verarbeitungseinheit 924 sie zur Erkennung des Drehbereiches der drehbaren Welle 108 im Feldeinsatz nutzen kann.
Auch wenn in den 8A–B das auf einem Schwellenwert basierende binäre Signal die Anpassungs-/Ausgleichsmöglichkeit nur bezüglich der Weite und nicht des Versatzes bieten kann, verwendet es eine einfachere elektrische Architektur (wie zum Beispiel eine 1D-Geschwindigkeits-Hall-Vorrichtung) als das auf einer linearen Funktion basierende (mehrdimensionale Hall-Vorrichtung).
Es ist zu beachten, dass die 8A–B den Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang anhand der sinusförmigen Linie 706 darstellen. Das Prinzip in Zusammenhang mit den 8A–B gilt gleichermaßen für den Ausgang der kosinusförmigen Linie 704 (wie in 7A dargestellt), da im Vergleich zu der zyklischen sinusförmigen Linie 706 die zyklische kosinusförmige Linie 704 mit der zyklischen sinusförmigen Linie 706 übereinstimmt, wenn die kosinusförmige Linie 704 um 90 Grad versetzt wird. Somit kann auch dasselbe Prinzip für den Ausgang der kosinusförmigen Linie 704 angewendet werden. Bei der vorliegenden Offenbarung wird der Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang mit der Verarbeitungsschaltung 106 ausgeführt. Für einen Fachmann ist jedoch der Einsatz einer ähnlichen Verarbeitungsvorrichtung möglich, um den Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die elektronischen, berührungslosen Erfassungsvorrichtungen zwangsläufig Abweichungen der Einsatzbedingungen bei der Herstellung und/oder im Betrieb ausgesetzt sind, einschließlich aber nicht ausschließlich der Abweichungen bei Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den verwendeten Bauteilen. Die Anpassungs-/Ausgleichsmöglichkeit ist entscheidend für die Messgenauigkeit, insbesondere für die Erkennung des Neutralstellungsbereiches einer Getriebewelle bei Kraftfahrzeugen. Die Grundlage für die Anpassung/den Ausgleich (einschließlich Weite und/oder Versatz) ist die Verwendung eines binären Zustandssignals zur Anzeige eines Winkellagebereiches. Zur Erleichterung der Wartung des Lageerfassungssystems 100 kann der Kalibrierungs-(oder Simulations-)Vorgang im Feldeinsatz durchgeführt werden, indem die in der Verarbeitungsschaltung 106 gespeicherten Kalibrierungs-(oder Simulations-)Programme ausgeführt werden. Der Anpassungs-/Ausgleichsvorgang kann im Feldeinsatz auch durch Umprogrammierung der Referenzspannung(en) in der Verarbeitungsschaltung 106 durchgeführt werden.
Die 9A–B zeigen, dass entweder ein positives binäres Zustandssignal 107 oder ein negatives binäres Zustandssignal 107' zur Anzeige des Drehbereiches (–L1, +L1) der drehbaren Welle 108 verwendet werden kann.
Insbesondere wenn, wie in 9A gezeigt, sich die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, setzt die in 5A dargestellte digitale Verarbeitungsschaltung 106 (oder Verarbeitungsschaltung 106') die Anzeigeschaltung 508 auf einen hohen Spannungszustand V_hoch wie durch die Linie 907 angezeigt; wenn sich die drehbare Welle 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, setzt die digitale Verarbeitungsschaltung 106 (oder Verarbeitungsschaltung 106') die Anzeigeschaltung 508 auf einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie durch die Linie 909 angezeigt.
Alternativ kann, wie in 9B gezeigt, das binäre Zustandssignal 107' eine Umkehrung des binären Zustandssignals 107 sein. Wenn sich daher, wie in 9B dargestellt, die drehbare Welle 108 innerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, setzt die in 5A dargestellte Verarbeitungsschaltung 106 (oder Verarbeitungsschaltung 106') die Anzeigeschaltung 508 auf einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie durch die Linie 917 angezeigt; wenn sich die drehbare Welle 108 außerhalb des Drehbereiches (–L1, +L1) befindet, setzt die Verarbeitungseinheit 504 die Anzeigeschaltung 508 auf einen hohen Spannungszustand V_hoch wie durch die Linie 919 angezeigt.
10 stellt ein Motorsteuersystem 900 dar, bei dem der binäre Ausgang 111 der Verarbeitungsschaltung 106 (oder Verarbeitungsschaltung 106') zur Steuerung des Motors in einem Kraftfahrzeug genutzt wird. In 10 umfasst das Motorsteuersystem 900 die Erfassungsvorrichtung 104, die Verarbeitungsschaltung 106 und ein Motorsteuergerät 902. Bei dem Motorsteuersystem 900 wird die drehbare Welle 108 als Gangschalthebel verwendet und gibt der Drehbereich (–L1, +L1) den Neutralstellungsbereich des Gangschalthebels wieder.
Wie in 10 dargestellt, empfängt das Motorsteuergerät 902 das binäre Zustandssignal auf der Verbindung 111 als dessen Eingang von der Verarbeitungsschaltung 106 (oder Verarbeitungsschaltung 106') und empfängt den Eingang 903 von der Kupplungssensorschaltung (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs. Der Eingang 903 zeigt an, ob die Kupplung des Kraftfahrzeugs betätigt wird. Wenn das Motorsteuergerät 902 anhand des binären Zustandssignals auf der Verbindung 111 erkennt, dass der Gangschalthebel für eine bestimmte Zeit (zum Beispiel 5 Sekunden) im Neutralstellungsbereich bleibt, schaltet es den Motor des Kraftfahrzeugs ab, um Benzin zu sparen. Wenn das Motorsteuergerät 902 anhand der Eingänge auf der Verbindung 903 erkennt, dass die Kupplung des Kraftfahrzeugs betätigt wird, erkennt das Motorsteuergerät 902 anhand des binären Zustandssignals auf der Verbindung 111 außerdem, ob sich der Gangschalthebel im Neutralstellungsbereich befindet. Das Motorsteuergerät 902 startet den Motor nur, wenn sich der Gangschalthebel im Neutralstellungsbereich befindet. Daher ist die Erkennungsgenauigkeit des Neutralstellungsbereiches des Gangschalthebels maßgebend, um einen sachgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.
Dabei ist hervorzuheben, dass ein schmalbandiges und/oder symmetrisches binäres Zustandssignal 107 besonders wünschenswert ist, wenn das Lageerfassungssystem 100 zur Erkennung des Neutralstellungsbereiches eines Gangschalthebels bei einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
Im Feldeinsatz setzt die digitale Verarbeitungsschaltung 106 wie in 5A dargestellt (oder die analoge Verarbeitungsschaltung 106' wie in 5B dargestellt) die Anzeigeschaltung 508 (oder die Polaritätsschaltung 928) auf den ersten Signalzustand und den zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung der drehbaren Welle 108, wobei folgende Schritte Anwendung finden:
Wenn gemäß einer Ausführungsform im Feldeinsatz die drehbare Welle 108 mit einem Drehwinkel gedreht wird, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 elektronische Signale als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfelds, die durch die Magnetvorrichtung 102 entlang der X-Dimension und/oder Y-Dimension hervorgerufen werden. Die erfassten Spannungen entsprechen der Beschreibung im Zusammenhang mit den 7A–C oder den 8A–B.
Wird die erfasste Spannung unter Anwendung des im Zusammenhang mit den 7A–C beschriebenen Verfahrens erhalten, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 zwei elektrische Signale, die der kosinusförmigen Linie 704 bzw. der sinusförmigen Linie 706 entsprechen. Nach Empfang der beiden elektrischen Signale wandelt der Prozessor (CPU) 602 diese unter Anwendung der Gleichungen (1–5) im Zusammenhang mit den 7A–C in eine erfasste Spannung um. Daher sollte die erfasste Spannung der in 7B gezeigten linearen Funktionslinie 722 entsprechen. Wird die erfasste Spannung nach dem im Zusammenhang mit den 8A–B beschriebenen Verfahren erhalten, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 ein elektrisches Signal, das der kosinusförmigen Linie 704 oder der sinusförmigen Linie 706 entspricht und sendet das elektrische Signal an den Prozessor (CPU) 602. Daher sollte die erfasste Spannung der in 7A gezeigten kosinusförmigen Linie 704 oder sinusförmigen Kurve 706 entsprechen.
Wird die erfasste Spannung unter Anwendung des im Zusammenhang mit den 7A–C beschriebenen Verfahrens erhalten, vergleicht der Prozessor (CPU) 602 die erfasste Spannung mit den beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2. Wenn in dem Vergleich der Wert der erfassten Spannung gleich einem der Werte der beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2 ist oder dazwischen liegt, erzeugt der Prozessor (CPU) 602 ein entsprechendes Zustandssteuersignal und Auslösesignal auf den Verbindungen 505 bzw. 507, um die Anzeigeschaltung 508 auf einen ersten Signalzustand (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) zu setzen. Ist der Wert der erfassten Spannung kleiner als die erste Referenzspannung V_f1 oder größer als die zweite Referenzspannung V_f2, erzeugt der Prozessor (CPU) 602 ein entsprechendes Zustandssteuersignal und Auslösesignal auf den Verbindungen 505 bzw. 507, um die Anzeigeschaltung 508 auf einen zweiten Signalzustand (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) zu setzen.
Wird die erfasste Spannung anhand des im Zusammenhang mit den 8A–B beschriebenen Verfahrens (oder der Methode) erhalten, vergleicht der Prozessor (CPU) 602 die erfasste Spannung mit der Schwellenspannung 712 (oder 714). Wenn der Wert der erfassten Spannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung 712 ist (oder der Wert der erfassten Spannung gleich der oder kleiner als die Schwellenspannung 714 ist), erzeugt der Prozessor (CPU) 602 ein entsprechendes Zustandssteuersignal und Auslösesignal auf den Verbindungen 505 bzw. 507, um die Anzeigeschaltung 508 auf einen ersten Signalzustand (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) zu setzen. Wenn der Wert der erfassten Spannung kleiner als die Schwellenspannung 712 ist (oder der Wert der erfassten Spannung größer als die Schwellenspannung 714 ist), erzeugt der Prozessor (CPU) 602 ein entsprechendes Zustandssteuersignal und Auslösesignal auf den Verbindungen 505 bzw. 507, um die Anzeigeschaltung 508 auf einen zweiten Signalzustand (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) zu setzen.
Während des Vergleichsvorgangs werden unter Steuerung des Prozessors (CPU) 602 die beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2 oder die beiden Schwellenspannungen 712 und 714 in den Registern 604 in der Verarbeitungseinheit 504 gespeichert. Die erfasste Spannung wird an den Eingang 613 des Komparators 612 angelegt und die beiden Referenzspannungen V_f1 und V_f2 oder eine der beiden Schwellenspannungen 712 und 714 an den Eingang 615 des Komparators 612 angelegt. Der Prozessor (CPU) 602 erhält die Vergleichsergebnisse vom Ausgang 617 des Komparators 612. Auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse vom Ausgang 617 erzeugt der Prozessor (CPU) 602 das Zustandssteuersignal und das Auslösesignal auf den Verbindungen 505 und 506.
Die Programme (oder Befehlssätze) zur Ausführung der einzelnen Schritte zur Einstellung der Anzeigeschaltung 508 können in der Speichereinrichtung 606 gespeichert und vom Prozessor (CPU) 602 durchgeführt werden.
Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform im Feldeinsatz die drehbare Welle 108 mit einem Drehwinkel gedreht wird, erzeugt die Erfassungsvorrichtung 104 ein elektronisches Signal als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte und/oder Änderungen des Magnetfelds, die durch die Magnetvorrichtung 102 entlang einer Dimension (der X-Dimension und/oder der Y-Dimension) hervorgerufen werden. Das erfasste elektronische Signal entspricht den Beschreibungen im Zusammenhang mit den 8A–B.
Ist die erfasste Spannung des elektrischen Signals aus der Erfassungsvorrichtung 104 größer als oder gleich der Schwellenspannung, erzeugt die analoge Verarbeitungseinheit 924 ein erstes Zustandsauslösesignal, um die Polaritätsschaltung 928 auf ein erstes Zustandssignal (einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 3 dargestellt oder einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 9B dargestellt) zu setzen. Wenn die erfasste Spannung des elektrischen Signals aus der Erfassungsvorrichtung 104 niedriger als die Schwellenspannung ist, erzeugt die analoge Verarbeitungseinheit 924 ein zweites Zustandsauslösesignal, um die Polaritätsschaltung 928 auf ein zweites Zustandssignal (einen niedrigen Spannungszustand V_niedrig wie in 3 dargestellt oder einen hohen Spannungszustand V_hoch wie in 9B dargestellt) zu setzen.
Um die Kosten für ein Motorsteuerungssystem zu reduzieren, ist eine Vereinfachung der Architektur dessen Steuergeräts wünschenswert. Ein Punkt ist dabei, den Eingang der Verarbeitungsschaltung 106 oder des Sensors 104 in einen logischen binären Eingang an diesem Steuergerät umzuwandeln. Sensorseitig kann dies mittels eines mechanischen Schalters verwirklicht werden, wobei eine geringe Messgenauigkeit sowie mangelhafte Zuverlässigkeit nachteilig sind. Die vorliegende Offenbarung sieht eine durchführbare Architektur durch die Anwendung der 3D-Hall-Technologie (linienbasiert) oder Geschwindigkeitssensor-Technologie (schwellenwertbasiert) vor, um ein logisches binäres Eingangssignal mit verbesserter Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu ermöglichen.
Für den Fachmann ist es naheliegend, dass verschiedene Abwandlungen und Abweichungen von den hier beschriebenen Ausführungsformen geschaffen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Beschreibung die Abwandlungen und Abweichungen der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen umfasst, soweit solche Abwandlungen und Abweichungen unter den Umfang der beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen fallen.

Claims

Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle (108), umfassend: eine Anzeigeschaltung (508) zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung (102), die auf der drehbaren Welle (108) befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und eine Anpassungsschaltung (504) zum Anpassen des binären Zustandssignals, um Abweichungen der Einsatzbedingungen des Sensors auszugleichen; wobei sich das binäre Zustandssignal im ersten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle innerhalb des Winkellagebereiches ist, und sich das binäre Zustandssignal im zweiten Signalzustand befindet, wenn die drehbare Welle außerhalb des Winkellagebereiches ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor des Weiteren umfasst: ein Speichermittel (604) zur Bereitstellung von mindestens zwei Referenzspannungspunkten mit einem ersten Referenzspannungspunkt und einem zweiten Referenzspannungspunkt, die zwei Referenzspannungspunkte auf einer linearen Funktionslinie (722) darstellen; eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang zweier Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (102) um die drehbare Welle (108) rotiert; und ein Vergleichsmittel (602) zum Vergleichen der Spannung des erfassten elektrischen Signals mit den beiden Referenzspannungspunkten; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten Referenzspannungspunkt oder dem zweiten Referenzspannungspunkt übereinstimmt.
Sensor nach Anspruch 2, wobei: die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des elektrischen Signals in einem Bereich zwischen dem ersten Referenzspannungspunkt und dem zweiten Referenzspannungspunkt liegt.
Sensor nach Anspruch 3, wobei: die Anzeigeschaltung (508) den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals außerhalb des Bereiches des ersten Referenzspannungspunktes und des zweiten Referenzspannungspunktes liegt.
Sensor nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: ein Speichermittel (604) zur Bereitstellung von mindestens zwei Paar Referenzspannungspunkten mit einem ersten Paar von Referenzspannungspunkten und einem zweiten Paar von Referenzspannungspunkten, die vier Spannungspunkte auf einer linearen Funktionslinie (722) darstellen, wobei das erste Paar von Referenzspannungspunkten einem ersten Spannungswert zugewiesen ist und das zweite Paar von Referenzspannungspunkten einem zweiten Spannungswert zugewiesen ist; eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang zweier Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (102) um die drehbare Welle (108) rotiert; und ein Vergleichsmittel (602) zum Vergleichen des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten zugewiesenen Spannungswert und dem zweiten zugewiesenen Spannungswert; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten zugewiesenen Spannungswert oder dem zweiten zugewiesenen Spannungswert übereinstimmt oder wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals innerhalb des Bereiches zwischen dem ersten zugewiesenen Spannungswert und dem zweiten zugewiesenen Spannungswert liegt, wobei die Anzeigeschaltung (508) den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals geringer ist als der erste zugewiesene Spannungswert oder größer ist als der zweite zugewiesene Spannungswert.
Sensor nach den Ansprüchen 2 bis 5, wobei: die Erfassungsvorrichtung (104) durch einen Abstand (oder Luftspalt) von dem zweipoligen Magneten (304A, 304B) räumlich getrennt ist.
Sensor nach Anspruch 6, wobei: die lineare Funktionslinie (722) vor dem Einbau des Sensor unter Einsatzbedingung kalibriert/simuliert wird als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte in zwei Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (304A, 304B) um 360 Grad um die drehbare Welle rotiert.
Sensor nach Anspruch 6, wobei: das binäre Zustandssignal zwischen dem ersten Signalzustand und dem zweiten Signalzustand wechselt als Reaktion auf Änderungen der Winkellage der drehbaren Welle (108).
Sensor nach Anspruch 6, wobei: der Winkellagebereich der drehbaren Welle ein Neutralstellungsbereich bei einem Gangschalthebel ist.
Sensor nach Anspruch 6, wobei: die Anpassungsschaltung (504) Weite oder Versatz des binären Zustandssignals anpasst, um Abweichungen der Einsatzbedingung des Sensors einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.
Sensor nach Anspruch 10, wobei: die Anpassungsschaltung (504) einen Skalierungsfaktor K zur Anpassung der Weite und des Versatzes des binären Zustandssignals erzeugt, um Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.
Sensor nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine Schwellenschaltung (604, 924) zur Bereitstellung einer Schwellenspannung auf einer kurvenförmigen Funktionslinie (704, 706); und eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang einer Dimension, wenn der zweipolige Magnet (304A, 304B) um die drehbare Welle (108) rotiert; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals oberhalb (oder unterhalb) der Schwellenspannung liegt, und den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals unterhalb (oder oberhalb) der Schwellenspannung liegt.
Sensor nach Anspruch 12, wobei: die Erfassungsvorrichtung (104) durch einen Abstand (oder einen Luftspalt) von dem zweipoligen Magneten räumlich getrennt ist.
Sensor nach Anspruch 12, wobei: die Schwellenspannung und die kurvenförmige Funktionslinie (704, 706) vor dem Einbau des Sensor unter Einsatzbedingung kalibriert werden als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte in einer Dimension, wenn der zweipolige Magnet um 360 Grad um die drehbare Welle rotiert.
Sensor nach Anspruch 12, wobei: der Winkellagebereich der drehbaren Welle ein Neutralstellungsbereich bei einem Gangschalthebel ist.
Sensor nach den Ansprüchen 12 bis 15, wobei: das binäre Zustandssignal zwischen dem ersten Signalzustand und dem zweiten Signalzustand wechselt als Reaktion auf Änderungen der Winkellage der drehbaren Welle (108).
Sensor nach Anspruch 16, wobei: die Anpassungsschaltung (504) die Weite des binären Zustandssignals anpasst, um Abweichungen der Einsatzbedingung einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei verwendeten Bauteilen auszugleichen, indem die minimalen und maximalen Scheitelwerte der elektronischen Signale, die der kurvenförmigen Funktionslinie (704, 706) entsprechen, überwacht und aktualisiert werden.
Sensor nach Anspruch 17, wobei: die Anpassungsschaltung (504) einen Schwellenwertfaktor zur Anpassung der Weite und des Versatzes des binären Zustandssignals erzeugt, um Abweichungen der Einsatzbedingungen einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.
Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle (108), umfassend: eine Anzeigeschaltung (508) zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung (102), die auf der drehbaren Welle (108) befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und ein Speichermittel (604) zur Bereitstellung von mindestens zwei Referenzspannungspunkten mit einem ersten Referenzspannungspunkt und einem zweiten Referenzspannungspunkt, die zwei Referenzspannungspunkte auf einer linearen Funktionslinie (722) darstellen; eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang zweier Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (102) um die drehbare Welle (108) rotiert; und ein Vergleichsmittel (602) zum Vergleichen der Spannung des erfassten elektrischen Signals mit den beiden Referenzspannungspunkten; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten Referenzspannungspunkt oder dem zweiten Referenzspannungspunkt übereinstimmt; die Anzeigeschaltung (508) den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals außerhalb des Bereiches des ersten Referenzspannungspunktes und des zweiten Referenzspannungspunktes liegt.
Sensor nach Anspruch 19, des Weiteren umfassend: das Speichermittel (604) zur Bereitstellung von mindestens zwei Paar Referenzspannungspunkten mit einem ersten Paar von Referenzspannungspunkten und einem zweiten Paar von Referenzspannungspunkten, die vier Spannungspunkte auf einer linearen Funktionslinie (722) darstellen, wobei das erste Paar von Referenzspannungspunkten einem ersten Spannungswert zugewiesen ist und das zweite Paar von Referenzspannungspunkten einem zweiten Spannungswert zugewiesen ist; eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang zweier Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (102) um die drehbare Welle (108) rotiert; und ein Vergleichsmittel (602) zum Vergleichen des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten zugewiesenen Spannungswert und dem zweiten zugewiesenen Spannungswert; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals mit dem ersten zugewiesenen Spannungswert oder dem zweiten zugewiesenen Spannungswert übereinstimmt oder wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals innerhalb des Bereiches zwischen dem ersten zugewiesenen Spannungswert und dem zweiten zugewiesenen Spannungswert liegt, wobei die Anzeigeschaltung (508) den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals geringer ist als der erste zugewiesene Spannungswert oder größer ist als der zweite zugewiesene Spannungswert.
Sensor nach den Ansprüchen 19 bis 20, wobei: die Erfassungsvorrichtung (104) durch einen Abstand (oder Luftspalt) von dem zweipoligen Magneten (304A, 304B) räumlich getrennt ist.
Sensor nach Anspruch 21, wobei: die lineare Funktionslinie (722) vor dem Einbau des Sensor unter Einsatzbedingung kalibriert/simuliert wird als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte in zwei Dimensionen, wenn der zweipolige Magnet (304A, 304B) um 360 Grad um die drehbare Welle rotiert.
Sensor nach Anspruch 22, wobei: das binäre Zustandssignal zwischen dem ersten Signalzustand und dem zweiten Signalzustand wechselt als Reaktion auf Änderungen der Winkellage der drehbaren Welle (108).
Sensor nach Anspruch 22, wobei: der Winkellagebereich der drehbaren Welle ein Neutralstellungsbereich bei einem Gangschalthebel ist.
Sensor nach Anspruch 22, des Weiteren umfassend: eine Anpassungsschaltung (504), die Weite oder Versatz des binären Zustandssignals anpasst, um Abweichungen der Einsatzbedingungen des Sensors einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.
Sensor nach Anspruch 25, wobei: die Anpassungsschaltung (504) einen Skalierungsfaktor K zur Anpassung der Weite und des Versatzes des binären Zustandssignals erzeugt, um Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.
Sensor zur Erfassung eines Winkellagebereiches einer drehbaren Welle (108), umfassend: eine Anzeigeschaltung (508) zur Erzeugung eines binären Zustandssignals mit einem ersten Signalzustand und einem zweiten Signalzustand als Reaktion auf die Drehung einer zweipoligen Magnetvorrichtung (102), die auf der drehbaren Welle (108) befestigt und angepasst ist, um gemeinsam mit der drehbaren Welle zu rotieren; und eine Schwellenschaltung (604, 924) zur Bereitstellung einer Schwellenspannung auf einer kurvenförmigen Funktionslinie (704, 706); und eine Erfassungsvorrichtung (104) zur Erzeugung eines erfassten elektrischen Signals als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte entlang einer Dimension, wenn der zweipolige Magnet (304A, 304B) um die drehbare Welle (108) rotiert; wobei die Anzeigeschaltung (508) den ersten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals oberhalb (oder unterhalb) der Schwellenspannung liegt, und den zweiten Signalzustand erzeugt, wenn die Spannung des erfassten elektrischen Signals unterhalb (oder oberhalb) der Schwellenspannung liegt.
Sensor nach Anspruch 27, wobei: die Erfassungsvorrichtung (104) durch einen Abstand (oder einen Luftspalt) von dem zweipoligen Magneten räumlich getrennt ist.
Sensor nach Anspruch 27, wobei: die Schwellenspannung und die kurvenförmige Funktionslinie (704, 706) vor dem Einbau des Sensor unter Einsatzbedingung kalibriert werden als Reaktion auf die Änderungen der magnetischen Flussdichte in einer Dimension, wenn der zweipolige Magnet um 360 Grad um die drehbare Welle rotiert.
Sensor nach Anspruch 29, wobei: der Winkellagebereich der drehbaren Welle ein Neutralstellungsbereich bei einem Gangschalthebel ist.
Sensor nach den Ansprüchen 27 bis 30, wobei: das binäre Zustandssignal zwischen dem ersten Signalzustand und dem zweiten Signalzustand wechselt als Reaktion auf Änderungen der Winkellage der drehbaren Welle (108).
Sensor nach Anspruch 31, wobei: die Anpassungsschaltung (504) die Weite des binären Zustandssignals anpasst, um Abweichungen der Einsatzbedingungen einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den verwendeten Bauteilen auszugleichen, indem die minimalen und maximalen Scheitelwerte der elektronischen Signale, die der kurvenförmigen Funktionslinie (704, 706) entsprechen, überwacht und aktualisiert werden.
Sensor nach Anspruch 32, wobei: die Anpassungsschaltung (504) einen Schwellenfaktor zur Anpassung der Weite und des Versatzes des binären Zustandssignals erzeugt, um Abweichungen der Einsatzbedingungen einschließlich Abweichungen der Luftspalten sowie Temperatur- und Parameterabweichungen bei den im Sensor verwendeten Bauteilen auszugleichen.