DE4028089A1

DE4028089A1 - Circuitry detecting constant or alternating magnetic fields - using Hall generators with pulsed supply fed to Hall generators via electronically controlled switches

Info

Publication number: DE4028089A1
Application number: DE19904028089
Authority: DE
Inventors: Klaus Albrecht; Michael Hermann
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: DE4028089B4

Abstract

A circuit for detecting constant or alternating magnetic fields contains one or more electronically operated switches (11) which switch a pulsed supply voltage to one or more Hall generators (13) and produces a pulsed supply voltage or superimposes it in a Hall generator. The duty cycle of the supply current is less than 1:5 and it can have alternating signs. The supply current to be superimposed can be generated by capacitor (12) charging or discharging. ADVANTAGE - Increased accuracy in measurement of Hall signals with larger amplitude Hall output signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von konstanten oder wechselnden Magnetfeldern und kann insbesondere zur Lageerkennung von Rotoren von Gleichstrommotoren herangezogen werden.The invention relates to a circuit arrangement for Acquisition of constant or changing magnetic fields and can be used in particular for position detection of rotors DC motors are used.

Für verschiedene Anwendungen, insbesondere zur Positions erfassung von Rotoren von Elektromotoren, ist es erforderlich, nicht nur wechselnde Magnetfelder auszuwerten, sondern eben falls solche mit konstanter Feldstärke. Aufgaben dieser Art, bei denen die Genauigkeitsanforderungen an das Meßergebnis nicht allzu hoch sind, werden gerne mit Hall-Sensoren bzw. Hall-Generatoren gelöst. Diese geben ein Ausgangssignal in Form einer Spannung ab, welche direkt proportional dem einwirkenden Magnetfeld sowie einem einzuprägenden Versorgungsstrom eines solchen Hallgenerators ist. Im Vergleich zu anderen Sensoren, zeichnen sich solche Hall-Generatoren neben einer guten Lineari tät auch durch eine hohe Dynamik aus. Allerdings sind die Ausgangssignale solcher Hall-Generatoren temperaturabhängig, so daß verschiedene Anstrengungen unternommen wurden, den Einfluß der Temperatur oder anderer externer Einflußgrößen auf die auszugebende Hall-Spannung möglichst gering zu halten. Eine Maßnahme dieser Art ist bekannt aus der deutschen Patentsschrift DE-PS 29 31 686, welche lehrt, wie Signale generierbar sind, die ihren Ursprung in Hallgeneratoren haben und die sich durch gute Temperaturunabhängigkeit auszeichnen. For various applications, especially for positions detection of rotors of electric motors, it is necessary not only to evaluate changing magnetic fields, but also if those with constant field strength. Tasks of this kind, where the accuracy requirements for the measurement result are not too high, like using Hall sensors or Hall generators solved. These give an output signal in the form a voltage that is directly proportional to the acting Magnetic field and a supply current to be impressed is such a Hall generator. Compared to other sensors, Hall generators of this type stand out in addition to good lineari is also characterized by high dynamics. However, they are Output signals of such Hall generators depending on the temperature, so that various efforts have been made to Influence of temperature or other external factors to keep the Hall voltage to be output as low as possible. A measure of this kind is known from the German Patent DE-PS 29 31 686, which teaches how signals can be generated that have their origin in Hall generators and which are characterized by good temperature independence.

Weitere Maßnahmen zur Erzeugung vorteilhafter Signale, die Hall-Generatoren als erzeugende Signalquellen besitzen, werden in dem Buch "Hall Effect and Opto-Electronic Sensors", Data Book SN 500 der Fa. Sprague Electric Company, Concord, N.H., U.S.A. erläutert.Further measures to generate advantageous signals that Have Hall generators as generating signal sources, are described in the book "Hall Effect and Opto-Electronic Sensors", Data Book SN 500 from Sprague Electric Company, Concord, N.H., U.S.A.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine elektronische Schaltung zu schaffen, die eine noch präzisere Erfassung von Hall-Signalen ermöglicht und die von vornherein hohe Hall-Ausgangssignale liefert.It is an object of the invention, a simple means to create electronic circuit that one more enables more precise detection of Hall signals and that of delivers high Hall output signals in advance.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtungen bzw. Maßnahmen. Hierbei handelt es sich um Schaltungen, die einen Hall-Generator periodisch mit kurzen, aber dafür relativ hohen Stromimpulsen versehen. Diese Schaltungen bewirken erhöhte Ausgangsspannungen des Hall-Sensors und werden ergänzt durch Auswerteschaltungen für solcherart erzeugte Hall-Signale. Diese Signale weisen eine weit höhere (Spitzen)Spannung als im Normalbetrieb auf, sind ebenfalls pulsförmig und können bei Bedarf durch nachgeschaltete Auswerte- oder Glättungssschaltungen gefiltert werden. Auf diese Weise kann ein sonst erforderlicher Vorverstärker zur Verstärung der Hall-Signale entfallen. Außerdem wird durch die genannte Maßnahme das Signal-Rausch-Verhältnis der abgegebenen Hall-Spanungen verbessert.This object is achieved by the specified in claim 1 Devices or measures. This is Circuits that a Hall generator periodically with short, but provided relatively high current pulses. These Circuits cause increased output voltages from the Hall sensor and are supplemented by evaluation circuits for such generated Hall signals. These signals have a much higher one (Peak) voltage than in normal operation are also pulsed and can be followed by if necessary Evaluation or smoothing circuits are filtered. In this way, an otherwise required preamplifier to amplify the Hall signals. Besides, will by the measure mentioned the signal-to-noise ratio emitted Hall voltages improved.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel sowie aus den Unteransprüchen.Further details and advantageous developments of the Invention result from those described below and shown in the drawing, in no way as Limitation of the invention to be understood embodiment as well as from the subclaims.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Schaltung zur impulsmäßigen Bestromung eines Hall-Generators 13, Fig. 1 is a circuit for pulse-uniform energization of a Hall generator 13,

Fig. 2 eine weitere Ansteuerungsschaltung zu gepulsten Bestromung eines Hall-Generators mit nachgeschalte ter Auswerte- bzw. Filterelektronik. Fig. 2 shows another control circuit for pulsed energization of a Hall generator with downstream evaluation or filter electronics.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird ein Kondensator 12 über einen Vorwiderstand 10 und einen Hall-Generator 12 mit einer Spannung V1 aufgeladen. Der Vorwiderstand 10 kann nahezu beliebig dimensioniert sein und insbesondere den Wert 0 Ohm annehmen. Der Kondensator 12 kann, je nach Versorgungsspannung V1, Werte von einigen Nano-Farad bis einige zig- Micro-Farad besitzen. Die Aufladung des Kondensators 12 erfolgt über einen Wechselschalter 11, der zweckmäßigerweise als elektroni sche Schaltung ausgebildet ist. Der Wechselschalter 11 kann durch eine automatisch arbeitende Umschalteeinrichtung 16 betätigt werden und ist ebenfalls vorzugsweise elektronisch ausgeführt. Nach einer Aufladung des Kondensators 12, deren Dauer sich nach üblichen Schaltregeln als RC-Zeitkonstante aus dem Produkt des Kapazitätswertes dieses Kondensators und der Summe der Wider stände von Widerstand 10 und Durchgangswiderstand des Hall-Generators 13 errechnet, fließt kein weiterer Strom durch den Hall-Generator. Auf diese Weise kann bereits ein kurzer und relativ hoher Stromimpuls durch den Hall-Generator 13 erzeugt werden. Die an Ausgängen 14, 15 des Hall-Generators abgreifbare Hall-Spannung besitzt einen zeitlichen Verlauf, der dem Stromimpuls sowie einem extern anliegenden Magnetfeld proportional ist. Nach dieser impulsmäßigen Bestromung, die eine kurzfristige Erwärmung des bauteileinternen Hall-Elements hervorruft, ist eine Bestromungspause erforderlich, damit eine Überhitzung des Hall-Elementes vermieden wird.In the circuit shown in FIG. 1, a capacitor 12 is charged with a voltage V 1 via a series resistor 10 and a Hall generator 12 . The series resistor 10 can be of almost any size and in particular assume the value 0 ohm. Depending on the supply voltage V 1 , the capacitor 12 can have values of a few nano-farads to a few tens of micro-farads. The capacitor 12 is charged via a changeover switch 11 , which is expediently designed as an electronic circuit. The changeover switch 11 can be actuated by an automatically operating switching device 16 and is also preferably electronic. After charging the capacitor 12 , the duration of which is calculated according to the usual switching rules as an RC time constant from the product of the capacitance value of this capacitor and the sum of the resistances of resistor 10 and volume resistance of the Hall generator 13 , no further current flows through the Hall Generator. In this way, a short and relatively high current pulse can be generated by the Hall generator 13 . The Hall voltage that can be tapped at outputs 14 , 15 of the Hall generator has a time profile that is proportional to the current pulse and an externally applied magnetic field. After this pulsed energization, which causes the internal Hall element to heat briefly, an energization pause is required in order to avoid overheating of the Hall element.

Eine solche Pause hängt natürlich davon ab, welche Intensität der Stromimpuls besaß und welche zeitliche Dauer der Lade vorgang für Kondensator 12 aufwies. Um möglichst große Hall-Spannungen an den Ausgängen 14 und 15 zu erhalten, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, durch die Dimensionierung des Kondensators 12 möglichst intensive, aber relativ kurzfristige Impulse auf den Hall-Generator 13 zu geben. Ein solches Verhältnis von Pulszeit zu Pausenzeit ist dabei typisch 1 : 100, es kann aber auch wesentlich größere oder kleinere Werte annehmen.Such a pause naturally depends on the intensity of the current pulse and the duration of the charging process for capacitor 12 . In order to obtain the highest possible Hall voltages at the outputs 14 and 15 , it is advantageous according to the invention to give the Hall generator 13 impulses which are as intense as possible, but relatively short-term, by dimensioning the capacitor 12 . Such a ratio of pulse time to pause time is typically 1: 100, but it can also take much larger or smaller values.

Nach Ablauf einer solchen Bestromungs- und Pausensequenz wechselt die Umschalteeinrichtung 16 die Schalterstellung des Schalters 11, welche zu einer Entladung des Kondensators 12 führt, deren Zeitkonstante jetzt nur noch vom Kapazitätswert dieses Kondensators und dem Durchgangswiderstand des Hall- Generators 13 abhängt. Dieser Stromimpuls ist mindestens gleich groß, gewöhnlich aber höher als der im vorhergehenden genannte Stromimpuls, der von dem Aufladevorgang herrührt. Wegen der unterschiedlichen Stromrichtung besitzt er natur gemäß entgegengesetzte Polarität. Dementsprechend besitzt auch die Hall-Spannung an den Ausgängen 14 und 15 eine entgegengesetzte Polarität und muß zur Auswertung z. B. durch Gleichrichter in eine Gleichspannung übergeführt werden. Alternativ kann auch eine gezielte Auswertung solcher Impulse wechselnder Polarität vorgenommen werden, z. B. durch Sample- und Hold-Schaltungen, die jeweils nur eine Polarität solcher Ausgangsimpulse registrieren und von denen die eine einen invertierenden Ausgang besitzt, so daß eine arithmetisch korrekte Summierung solcher Ausgangssignale durch eine nachgeschaltete Summierungsschaltung stattfinden kann.After such an energization and pause sequence, the switching device 16 changes the switch position of the switch 11 , which leads to a discharge of the capacitor 12 , the time constant of which now only depends on the capacitance value of this capacitor and the volume resistance of the Hall generator 13 . This current pulse is at least the same size, but usually higher than the current pulse mentioned above, which results from the charging process. Because of the different current direction, it naturally has opposite polarity. Accordingly, the Hall voltage at the outputs 14 and 15 has an opposite polarity and must be evaluated for. B. be converted into a DC voltage by a rectifier. Alternatively, a targeted evaluation of such pulses of alternating polarity can be carried out, e.g. B. by sample and hold circuits, each registering only one polarity of such output pulses and one of which has an inverting output, so that an arithmetically correct summation of such output signals can take place by a downstream summing circuit.

Fig. 2 zeigt eine andere Schaltungsvariante, bei der ein Hall-Generator 13 nur mit Impulsen einer Polarität bestromt wird und die eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 24 besitzt. FIG. 2 shows another circuit variant in which a Hall generator 13 is only energized with pulses of one polarity and which has a control and evaluation circuit 24 .

Anstelle des Wechselschalters 11 aus Fig. 1 wird in Fig. 2 ein elektronischer Schalter 11′ benutzt, der aus einem Halbleiterbauelement wie z. B. einem Feldefekttransistor bestehen kann, welcher über einen Eingang 26 ansteuerbar ist. - Sobald dieser Transistor eingeschaltet ist, fließt über einen Vorwiderstand 21, Innenwiderstand des Hall-Generators 13 und den Durchgangs widerstand des Transistors solange ein Strom, bis der Tran sistor 11′ wieder abschaltet. Auch hier handelt es sich um ein kurzfristiges Einschalten, gefolgt von einer relativ langen Schaltpause.Instead of the changeover switch 11 from Fig. 1, an electronic switch 11 'is used in Fig. 2, which consists of a semiconductor device such as. B. can consist of a field defect transistor which can be controlled via an input 26 . - As soon as this transistor is switched on, flows through a series resistor 21 , internal resistance of the Hall generator 13 and the continuity resistance of the transistor until a current until the transistor 11 'switches off again. This is also a short-term switch-on, followed by a relatively long switching break.

Die erforderlichen Ansteuerpulse gemäß Bezugszeichen 28 werden von einer elektronischen Schaltung 24, vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors, generiert und über eine Schaltsignalleitung 25 auf Eingang 26 des elektronischen Schalters 11′ gegeben. Die Schaltung 24 ist in der Lage, über Leitungen 22 und 23 die Ausgangsspannungen des Hall Generators von Ausgangspunkten 14 und 15 entgegenzunehmen. Diese Spannungen werden zweckmäßigerweise nur dann analysiert, wenn der Hall-Generator 13 bereits bestromt ist dieser Strom bereits eine zumindest annähernd konstante Größe besitzt. Nach der Erfassung der an Leitungen 22 und 23 anliegenden Hall-Spannung wird der Transistor 11′ wieder abgeschaltet und eine Impulspause eingelegt, um dem Hall-Generator 13 ausreichend Zeit zur Abkühlung zu geben.The required control pulses according to reference numeral 28 are generated by an electronic circuit 24 , preferably in the form of a microprocessor, and given via a switching signal line 25 to input 26 of the electronic switch 11 '. Circuit 24 is able to receive the output voltages of the Hall generator from output points 14 and 15 via lines 22 and 23 . These voltages are expediently only analyzed when the Hall generator 13 is already energized, this current already has an at least approximately constant size. After detection of the Hall voltage present on lines 22 and 23 , the transistor 11 'is switched off again and a pulse pause is made in order to give the Hall generator 13 sufficient time to cool down.

Hierbei kann die Impulsfrequenz ziemlich unterschiedliche Werte annehmen, die von einigen wenigen Hertz bis einige 100 kHz betragen kann. Impulsdiagramm 28 symboli siert das Impuls-zu-Pausen-Verhältnis der auf der Leitung 25 anliegenden Steuerimpulse. Das dort gezeigte Tastverhältnis kann im praktischen Fall allerdings noch erheblich reduziert werden. Die auf diese Weise gewonnene Meßinformation kann z. B. in direkter Form auf ein an den Micro-Prozessor 24 ange schlossenens Meßinstrument 27 gegeben werden. In einer anderen Ausführunsform besitzt die Schaltung 24 Filter einrichtungen oder Programme (z. B. Digitalfilter), welche ein geglättetes Ausgangssignal an die Anzeigeeinheit 27 geben.The pulse frequency can take on quite different values, which can be from a few Hertz to a few 100 kHz. Pulse diagram 28 symbolizes the pulse-to-pause ratio of the control pulses present on line 25 . The duty cycle shown there can, however, be reduced considerably in practical cases. The measurement information obtained in this way can, for. B. be given in direct form to a connected to the microprocessor 24 measuring instrument 27 . In another embodiment, the circuit 24 has filtering devices or programs (eg digital filters) which give a smoothed output signal to the display unit 27 .

Die Signalqualität der Signale, wie sie gemäß vorhergehenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugt wird, ist aufgrund der großen Amplitude für die meisten Anwendungsfälle genügend gut geeignet, so daß eine Temperaturkompensation entfallen kann. Sofern eine besonders temperaturunabhängige Signalgenerierung erforderlich ist, kann eine Kombination der erfindungsgemäßen Schaltungen mit den bekannten, obengenannten Schaltungen nach dem Stand der Technik erfolgen. Eine solche Schaltungs kombination liefert temperaturunabhängige Ausgangssignale mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis.The signal quality of the signals as given in the previous Devices produced according to the invention is due to the large amplitude is sufficient for most applications well suited so that temperature compensation can be omitted. If a particularly temperature-independent signal generation is required, a combination of the invention Circuits with the known circuits mentioned above the state of the art. Such a circuit combination also provides temperature-independent output signals good signal-to-noise ratio.

Claims

1. Circuit arrangement for detecting constant or changing magnetic fields by means of Hall generators, characterized in that one or more electronically operating switches are available which apply a pulsed supply voltage to one or more Hall generators, and generates a pulsed supply current or into a Hall Generator is impressed.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the duty cycle of the supply current smaller values than 1: 5.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the supply current has an alternating sign.

4. Circuit arrangement according to one or more of the preceding Claims, characterized in that a supply current to be impressed by a capacitor charge or discharge is generated.

5. Circuit arrangement according to one or more of the preceding Claims, characterized in that a supply current to be impressed by a switched Constant current source is generated.

6. Circuit arrangement according to one or more of the preceding Claims, characterized in that as an electronic switch one or more transistors be used.

7. Circuit arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that an electronic switch 16 is actuated by a control and evaluation circuit 24 and the control and evaluation circuit 24 detects and processes Hall voltage pulses generated by the Hall generator 13 .

8. Circuit arrangement according to claim 8, characterized, that detected Hall voltage pulses of digital filtering be subjected.

9. Circuit arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control and evaluation circuit 24 consists of a microprocessor with at least one analog input, at least one analog output and at least one digital output.

10. Circuit arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that a Hall signal applied to Hall generator outputs 14, 15 is amplified via an inverting amplifier and the amplifier has a feedback resistor between its input and its output.