DE4440214A1

DE4440214A1 - Drehgeber mit Hallsensoren

Info

Publication number: DE4440214A1
Application number: DE19944440214
Authority: DE
Inventors: Soenke Dr Rer Nat Mehrgardt
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2014-11-11
Also published as: DE4440214C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber mit Hallsensoren.

Ein Drehgeber mit Hallsensoren ist aus der P 44 22 868.6 (ITT-Case C-DIT-1638) bekannt. Er weist einen sich drehenden Magneten auf, dessen Winkellage mittels Hallsensoren bestimmt wird. Es kann dabei der Drehwinkel eines sich kontinuierlich drehenden Magneten oder die feste Winkellage eines sich in einer statischen Lage befindenden Magneten, also ein fester Drehwinkel, bestimmt werden.

Die Drehwinkelbestimmung eines solchen Drehgebers erfolgt in der Regel dadurch, daß in zwei zueinander um 90° versetzte Hallsensoren bei einer Umdrehung des Magneten ein Cosinus- und ein Sinussignal gemessen werden. Aus dem Cosinus- und Sinussignal wird dann in einer Auswertevorrichtung der Drehwinkel des Magneten bestimmt. Bei einer Umdrehung des Magneten wird eine Signalperiode von 360° durchlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehgeber mit Hallsensoren zu schaffen, der eine große Genauigkeit bei einer absoluten Winkelbestimmung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Drehgeber mit einer ersten drehbaren Magnetanordnung, die einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol aufweist, und mit einem ersten und mit einem zweiten Hallsensor, die derart angeordnet sind, daß durch Drehung der ersten Magnetanordnung in dem ersten Hallsensor eine Cosinussignal und in dem zweiten Hallsensor ein Sinussignal erzeugbar ist, mit einer zweiten drehbaren Magnetanordnung, die mehrere, abwechselnd angeordnete magnetische Nordpole und Südpole aufweist, mit einem dritten und einem vierten Hallsensor, die derart angeordnet sind, daß durch Drehung der zweiten Magnetanordnung in dem dritten Hallsensor eine Cosinussignal und in dem vierten Hallsensor ein Sinussignal erzeugbar sind, wobei die Periode der ersten Cosinus- und Sinussignale ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der zweiten Cosinus- und Sinussignale beträgt, gelöst.

Der erfindungsgemäße Drehgeber weist eine große Genauigkeit auf und ermöglicht gleichzeitig eine absolute Bestimmung des Drehwinkels. Durch eine Drehung der ersten Magnetanordnung um 360° kann jeder Winkellage des Drehgebers eindeutig ein Drehwinkel zugeordnet werden. Hierzu müssen das Cosinus- und das Sinussignal des ersten und des zweiten Hallsensors entsprechend ausgewertet werden. Durch die Drehung der zweiten Magnetanordnung werden in dem dritten und in dem vierten Hallsensor ein zweites Cosinus- und Sinussignal mit einer kleineren Periode erzeugt. Aufgrund der kleineren Periode hat der Signalverlauf des zweiten Cosinus- und Sinussignals eine größere Steigung. Dadurch wird eine größere Meßgenauigkeit,. d. h. eine bessere Winkelauflösung erreicht. Die Winkelauflösung wird dabei durch die Anzahl der magnetischen Nordpole und Südpole der zweiten Magnetanordnung und durch die Drehgeschwindigkeit der zweiten Magnetanordnung bestimmt. Es muß dabei eine feste Kopplung zwischen der Drehung der ersten Magnetanordnung und der zweiten Magnetanordnung bestehen. Durch diese Kopplung erfolgt die Zuordnung des aus der ersten Magnetanordnung bestimmten Absolutwinkels zu den Signalen der zweiten Magnetanordnung. Um zu erreichen, daß die Periode der ersten Signale ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der zweiten Signale beträgt, muß die Drehgeschwindigkeit der zweiten Magnetanordnung ein Vielfaches der Drehgeschwindigkeit der ersten Magnetanordnung betragen oder gleich der Drehgeschwindigkeit der ersten Magnetanordnung sein.

Vorteilhafterweise sind die Magnetanordnungen jeweils als konzentrische Scheiben ausgebildet, die zueinander beabstandet auf einer drehbaren Welle konzentrisch angeordnet sind. In diesem Fall wird mit einer einfachen Anordnung erreicht, daß die Drehgeschwindigkeiten der ersten und der zweiten Magnetanordnung gleich groß sind.

Bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind der Nordpol und der Südpol in der ersten Magnetanordnung auf einer durch den Mittelpunkt gehenden Linie ausgebildet. Die Nordpole und die Südpole sind in der zweiten Magnetanordnung in konstantem Winkelabstand auf einem zu dem Mittelpunkt konzentrischen Kreis angeordnet. Der erste und der zweite Hallsensor können auf einem zu dem Mittelpunkt, in der verlängerten Ebene der Magnetanordnung liegenden konzentrischen Kreis um 90° zueinander versetzt, außerhalb der Magnetanordnung angeordnet sein. Der dritte und der vierte Hallsensor können auf einem zu dem Mittelpunkt in der verlängerten Ebene der zweiten Magnetanordnung liegenden konzentrischen Kreis um die Hälfte des konstanten Winkelabstands zueinander versetzt außerhalb der zweiten Magnetanordnung angeordnet sein.

Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die erste und die zweite Magnetanordnung als eine konzentrische Scheibe ausgebildet, die konzentrisch auf einer drehbaren Welle befestigt ist, wobei der Nordpol und der Südpol der ersten Magnetanordnung in einem inneren Bereich und die Nord- und und Südpole der zweiten Magnetanordnung in einem äußeren Bereich der Scheibe ausgebildet sind. Bei dieser Anordnung muß nur eine konzentrische Scheibe verwendet werden. Dadurch wird die Anordnung einfach und platzsparend. Zudem wird eine genaue Zuordnung der mit der ersten und der zweiten Anordnung gemessenen Winkellagen erreicht.

Es ist günstig wenn die Hallsensoren bei dieser Anordnung auf einer zweiten zu der ersten beabstandeten konzentrisch auf der Welle angebrachten Scheibe so angeordnet sind, daß der erste und der zweite Hallsensor einem inneren Bereich und der dritte und der vierte Hallsensor einem äußeren Bereich der zweiten Scheibe auf der der ersten Scheibe zugewandten Seite angeordnet sind. Dann sind alle Hallsensoren in einer Ebene angeordnet, so daß sie auf einem IC leicht integriert werden können.

Vorteilhafterweise ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, welcher die Signale der Hallsensoren zugeführt werden, und in der aus den Signalwerten ein Drehwinkel bestimmt wird. Die Auswerteeinrichtung kann auch auf demselben IC integriert sein. Die Auswerteeinrichtung kann die Signale abhängig von der Drehrichtung der Magnetanordnung in Vorpulse bzw. Rückpulse umsetzen. So werden aufgrund der beiden möglichen Drehrichtungen zusätzliche Signale erzeugt. Es kann pro Umdrehung der entsprechenden Magnetanordnung eine höhere Zahl von Pulsen erzeugt werden. Es sind also weniger Magnetpole entlang des Umfangs des Magneten erforderlich, um die gleiche Anzahl von Pulsen pro Umdrehung zu erreichen. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer und preisgünstigerer Magnete bei gleicher Drehwinkelauflösung des Drehgebers.

In der Auswerteeinrichtung können die Signale zur Beseitigung eines Offsets normiert werden. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit weiter erhöht. Die Einzelheiten einer solchen Normierung sind dem Fachmann überlassen. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit läßt sich der Drehgeber auch mit weiteren Auswerteeinrichtungen kombinieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehgebers;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehgebers;

Fig. 3 den mit den erfindungsgemäßen Drehgebern gemessenen Signalverlauf und

Fig. 4 eine Auswerteschaltung für den erfindungsgemäßen Drehgeber.

Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehgebers nach Fig. 1 zeigt eine erste Scheibe 1 mit Magnetpolen und eine zweite Scheibe 2 mit Magnetpolen, die beide auf einer Welle 3 angeordnet sind. Durch Drehung der Welle 3 sind die erste und die zweite Scheibe 1, 2 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um den Winkel drehbar. Mit einem ersten und einem zweiten Hallsensor 4, 5 ist ein Signal der ersten Scheibe 1 bei deren Drehung meßbar, mit einem dritten und einem vierten Hallsensor 6, 7 sind Signale bei der Drehung der zweiten Scheibe meßbar. Die erste Scheibe 1 und die zweite Scheibe 2 sind zueinander beabstandet und konzentrisch auf der Welle 3 angeordnet. Die erste Scheibe 1 weist einen Nordpol N und einen Südpol S auf einer durch den Mittelpunkt der Scheibe 1 gehenden Linie auf. Der erste und der zweite Hallsensor 4, 5 sind auf einem zu dem Mittelpunkt der verlängerten Ebene der ersten Scheibe 1 liegenden konzentrischen Kreis um 90° zueinander versetzt außerhalb der ersten Scheibe 1 angeordnet. Die zweite Scheibe 2 weist acht Nordpole N und acht Südpole S auf. Diese sind abwechselnd, in konstantem Winkelabstand entlang dem Umfang der zweiten Scheibe 2 angeordnet. Der dritte und der vierte Hallsensor 6, 7 sind auf einer zu dem Mittelpunkt der verlängerten Ebene der zweiten Scheibe liegenden konzentrischen Kreis um den konstanten Winkelabstand der Nord- und Südpole zueinander versetzt außerhalb der zweiten Scheibe angeordnet. Bei der gezeigten Anordnung, bei der in der zweiten Scheibe 2 acht Nordpole und acht Südpole ausgebildet sind, beträt der Winkel zwischen einem Nord- und einem Südpol jeweils 22,5°. Der dritte und der vierte Hallsensor 6, 7 sind dann um einen Winkel von 11,25° zueinander versetzt angeordnet.

In dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehgebers sind eine erste Scheibe 8 mit Magnetpolen und eine zweite Scheibe 9 mit Hallsensoren beabstandet zueinander auf der Welle 3 angeordnet. Bei dieser Anordnung muß die erste Scheibe 8 relativ zu der zweiten Scheibe 9 drehbar um den Winkel α auf der Welle 3 angeordnet sein. Dazu ist zweckmäßigerweise eine der Scheiben 8, 9 fest mit der Welle verbunden und die andere der Scheiben 8 oder 9 drehbar mit der Welle 3 verbunden. Die Scheiben 8 und 9 sind konzentrisch auf der Welle 3 angeordnet. Ein Nordpol und ein Südpol sind in einem inneren Bereich der Scheibe 8 angeordnet. In einem äußeren Bereich der Scheibe 8 sind zusätzlich acht Nord- und Südpole N, S abwechselnd und im festen Winkelabstand angeordnet. Der erste und der zweite Hallsensor 4, 5 sind in einem inneren Bereich der Scheibe 9 und der dritte und der vierte Hallsensor 6, 7 in einem äußeren Bereich der Scheibe 9 auf der der Scheibe 8 zugewandten Seite zugeordnet. Der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Hallsensor beträgt 90°, der Winkel zwischen dem dritten und dem vierten Hallsensor beträgt 11,25° Die Scheibe 9 kann ein Chip sein, auf dem die Hallsensoren 4, 5, 6, 7 integriert sind.

Durch Drehen der ersten und der zweiten Scheibe 1, 2 des ersten Ausführungsbeispiels relativ zu den Hallsensoren 4, 5, 6, 7 und durch Drehen der Scheibe 8 des zweiten Ausführungsbeispiels relativ zu der Scheibe 9 mit den Hallsensoren 4, 5, 6, 7 werden die in Fig. 3 gezeigten Signalverläufe gemessen. Es sind die Hallspannungen für eine Umdrehung der entsprechenden Scheiben 1, 2 bzw. 8, 9 mit dem Magnetpolen relativ zu den Hallsensoren gezeigt. Fig. 3a zeigt dabei die mit dem ersten Hallsensor 4 gemessene Spannung U₁ und die mit dem zweiten Hallsensor 5 gemessene Spannung U₂. Fig. 3b zeigt die mit dem dritten Hallsensor 6 gemessene Spannung U₃ und die mit dem vierten Hallsensor 7 gemessene Spannung U₄. Durch eine entsprechende Auswertung der gemessenen Spannungssignale kann aus der Messung des ersten und des zweiten Hallsensors 4, 5 eine eindeutige Winkelzuordnung zu einer Winkellage zwischen 0 und 360° bestimmt werden. Aufgrund der mit dem dritten und dem vierten Hallsensor 6, 7 gemessenen Signale können genauere Zwischenwerte bestimmt werden. Für sich alleine genommen werden diese Zwischenwerte zwar nicht eindeutig, da bei einer gesamten Umdrehung von 0 bis 360° die Winkelzuordnung mehrdeutig wäre. Jedoch ist diese Zuordnung durch die Messung mit dem ersten und dem zweiten Hallsensor gegeben. Aufgrund des erheblich steileren Kurvenverlaufs mit größerer Steigung der Spannungswerte des dritten und des vierten Hallsensors 6, 7 ist eine erheblich genauere Messung wie mit dem ersten und dem zweiten Hallsensor 4, 5 alleine möglich.

Fig. 4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel für die Auswerteeinrichtung. Die Signale zweier Paare von Hallsensoren 4 und 5 oder 6 und 7 werden in Verstärkern 10 verstärkt. Die verstärkten Signale werden über einen Schalter 11 einem A/D-Wandler 12 zugeführt. Die dort erzeugten digitalen Signale werden an eine Auswerteschaltung 13 weitergegeben. In der Auswerteschaltung 13 werden aus den beiden Signalwerten, d. h. aus dem Cosinus- und dem Sinussignal der beiden Hallsensoren die entsprechenden Winkelwerte ermittelt. Das entsprechende den Winkel wiedergebende Signal wird an eine Interface 14 weiter gebeben, von dem es einer anderen Einrichtung, etwa einem Speicher, einem Drucker etc. übergeben werden kann. Die Auswerteeinrichtung 13 ist hier für den ersten und den zweiten Hallsensor 4, 5 gezeigt. Die Signale des dritten und des vierten Hallsensors 6, 7 werden entsprechend verarbeitet. Dazu kann eine parallel angeordnete Vorrichtung vorgesehen sein; die Signale können aber auch einer gemeinsamen Auswerteschaltung zugeführt werden. Die Einzelheiten der Auswertung und weiterer Verbesserungen in der Genauigkeit sind dem Fachmann überlassen.

Claims

1. Drehgeber mit einer ersten drehbaren Magnetanordnung (1), die einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S aufweist, und mit einem ersten und einem zweiten Hallsensor (4, 5), die derart angeordnet sind, daß durch Drehung der ersten Magnetanordnung (1) in dem ersten Hallsensor (4) ein Cosinussignal und in dem zweiten Hallsensor (5) ein Sinussignal erzeugbar ist, mit einer zweiten, drehbaren Magnetanordnung (2), die mehrere abwechselnd angeordnete magnetische Nordpole N und Südpole S aufweist, mit einem dritten und vierte Hallsensor (6, 7), die derart angeordnet sind, daß durch Drehung der zweiten Magnetanordnung (2) in dem dritten Hallsensor (6) ein Cosinussignal und in dem vierten Hallsensor (7) ein Sinussignal erzeugbar sind, wobei die Periode der ersten Cosinus- und Sinussignale ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der zweiten Cosinus- und Sinussignale beträgt.

2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnungen (1, 2) jeweils als konzentrische Scheiben ausgebildet sind, die zueinander beabstandet auf einer drehbaren Welle (3) konzentrisch angeordnet sind.

3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Magnetanordnung (1) der Nordpol N und der Südpol S auf einer durch den Mittelpunkt gehenden Linie ausgebildet sind.

4. Drehgeber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Magnetanordnung (2) die Nordpole N und die Südpole S in konstantem Winkelabstand auf einem zu dem Mittelpunkt konzentrischen Kreis angeordnet sind.

5. Drehgeber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Hallsensor (4, 5) auf einem zu dem Mittelpunkt in der verlängerten Ebene der ersten Magnetanordnung (1) liegenden konzentrischen Kreis um 90° zueinander versetzt außerhalb der ersten Magnetanordnung (1) angeordnet sind.

6. Drehgeber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Hallsensor (6, 7) auf einem zu dem Mittelpunkt in der verlängerten Ebene der zweiten Magnetanordnung (2) liegenden konzentrischen Kreis um die Hälfte des konstanten Winkelabstands zueinander versetzt außerhalb der zweiten Magnetanordnung (2) angeordnet sind.

7. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Magnetanordnung als eine konzentrische Scheibe (8) ausgebildet sind, die konzentrisch auf einer drehbaren Welle (3) befestigt ist, wobei der Nordpol N und der Südpol S der ersten Magnetanordnung in einem inneren Bereich und die Nordpole N und Südpole S der zweiten Magnetanordnung in einem äußeren Bereich der Scheibe (8) ausgebildet sind.

8. Drehgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren auf einer zweiten zu der ersten beabstandet, konzentrisch auf der Welle (3) angebrachten Scheibe (9) so angeordnet sind, daß der erste und der zweite Hallsensor (4, 5) auf einem inneren Bereich und der dritte und der vierte Hallsensor (6, 7) auf einem äußeren Bereich der zweiten Scheibe (9) auf der der ersten Scheibe (8) zugewandten Seite angeordnet sind.

9. Drehgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (4, 5, 6, 7) auf einem Chip integriert sind.

10. Drehgeber nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welcher die Signale der Hallsensoren (4, 5, 6, 7) zugeführt werden, und in der aus den Signalwerten ein Drehwinkel bestimmt wird.

11. Drehgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung die Signale abhängig von der Drehrichtung der Magnetanordnungen in Vorpulse bzw . . Rückpulse umgesetzt werden.

12. Drehgeber nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung die Signale zur Beseitigung eines Offsets normiert werden.