DE69903277T2

DE69903277T2 - Magnetische Positionsbestimmung mit Korrektur für nichtlineare Sensorbereiche

Info

Publication number: DE69903277T2
Application number: DE69903277T
Authority: DE
Inventors: Jay R Goetz; Michael L Rhodes; Philip J Zumsteg
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: US6097183A; EP1209439A3; EP1071919B1; ATE225496T1; DE69903277D1; EP1209439A2; JP4550276B2; EP1209439B1; DE69939556D1; DK1071919T3; HK1047311A1; JP2002511571A; ATE408120T1; EP1071919A1; WO1999053266A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Positionserkennungsvorrichtungen und insbesondere Vorrichtungen zur Bestimmung der Position eines Gliedes, das entlang einem definierten Weg endlicher Länge beweglich ist.
Es ist häufig erwünscht, die Position einer Einrichtung zu identifizieren, die durch ein Stellglied oder dergleichen gesteuert wird. Zum Beispiel Weisen in der Regelindustrie Einrichtungen wie zum Beispiel Ventile einen Ventilstamm oder Ventilschaft auf, der durch ein Stellglied beweglich ist, um den Fluß von Flüssigkeiten und Gasen, die industriellen Prozessen verschiedener Arten zugeordnet sind, zu regeln. Bei diesen Anwendungen wird häufig gewünscht, zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt die genaue Position des beweglichen Ventilstamms oder Ventilschafts zu identifizieren. Diese Informationen ermöglichen ein besseres Verständnis des Prozesses und der Regelung des Prozesses.
Es wurden mehrere vorbekannte Lösungen vorgeschlagen. Optische Codierungsverfahren verwenden ein codiertes Element mit undurchlässigen und transparenten Abschnitten, um digitale Dateneingaben für ein Array von Sensoren bereitzustellen, das so positioniert ist, daß das die Abschnitte durchquerende Licht gemessen wird. Obwohl optische Codierungseinrichtungen keine mechanische Verbindung erfordern, funktioniert der optische Ansatz nur in sehr sauberen Umgebungen gut und wird deshalb in vielen industriellen Umgebungen nicht angewandt. Lineare Variablen-Differenztransformatoren (LVDT - Linear Variable Differential Transformers) können sehr genaue Positionsinformationen liefern, erfordern in der Regel jedoch eine mechanische Verbindung und verbrauchen außerdem im allgemeinen relativ viel Strom. Potentiometer und andere Drehwandler erfordern eine mechanische Verbindung und hat außerdem den Nachteil eines gleitenden elektrischen Kontakts, der Probleme mit der Langzeitzuverlässigkeit verursachen kann. Hall-Effekt-Wandler, sowie sie derzeit verwendet werden, erfordern im allgemeinen eine mechanische Verbindung.
Ein Verbesserter Ansatz zur Bestimmung der Position eines beweglichen Gliedes ist aus dem U.S.-Patent Nr. 4,698,996 für Kreft et al. bekannt. Kreft et al. schlagen vor, einen Stabmagneten auf dem beweglichen Glied bereitzustellen, der sich dann parallel zu mehreren beabstandeten Sensoren bewegt. Während einer Kalibrierungsprozedur wird der Stabmagnet schrittweise in einer zu der Reihe von Sensoren parallelen Richtung in präzise definierten Längeneinheiten bewegt. Wenn eine Ausgangsspannung eines bestimmten Sensors null ist, während benachbarte Sensoren auf beiden Seiten davon jeweilige positive und negative Werte aufweisen, wird dem bestimmten Sensor ein Längenwert zugewiesen und gespeichert.
Bei unbekannten Positionen des Magneten werden die Spannungswerte benachbarter Sensoren, die durch den Magneten beeinflußt werden, gemessen, und deren Beziehungen werden bestimmt. Angrenzende Sensoren mit Spannungswerten, die verschiedene Polarität aufweisen, werden gewählt. Für Spannungsbeziehungen, die genau einer kalibrierten Spannungsbeziehung entsprechen, wird der entsprechende Positionswert der unbekannten Position zugewiesen. Für Spannungsbeziehungen, die zwischen den Kalibrierungswerten liegen, verwendet man geeignete Interpolationsverfahren zur Definition der Position des Magneten.
Eine Beschränkung von Kreft et al. besteht darin, daß die Nichtlinearität der Sensorausgangssignale oder die Nichtlinearität des Magnetfelds aufgrund von Fehlstellen in dem Magnet oder dergleichen nicht ausgeglichen werden. Kreft et al. stellen fest, daß die Sensorausgangssignale nichtlinear sein können, insbesondere wenn sich ein Pol des Magneten dem Sensor nähert. Um sicherzustellen, daß benachbarte Sensoren im linearen Bereich arbeiten, schlagen Kreft et al. somit vor, einen relativ zu dem Abstand der Sensoren längeren Magneten zu verwenden, so daß die Pole des Magneten ausreichend von beiden benachbarten Sensoren entfernt sind. Dadurch können sich jedoch die Kosten der Positionsbestimmungseinrichtung signifikant erhöhen.
Deshalb wird eine Positionsbestimmungsvorrichtung benötigt, die keinen langen Magneten und/oder kleinen Sensorabstand erfordert, aber trotzdem zuverlässig und genau die Position des Magneten bestimmt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
Die Vorrichtung kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 10 enthalten.
Die vorliegende Erfindung liefert außerdem ein Verfahren nach Anspruch 11.
Das Verfahren kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 12 bis 19 enthalten.
Die vorliegende Erfindung löst diese und andere Bedürfnisse durch Bereitstellung einer Positionsbestimmungsvorrichtung, die keinen relativ langen Magneten und/oder relativ kleinen Sensorabstand erfordert. Man erreicht dies vorzugsweise durch Bereitstellung eines Korrekturmechanismus zur Korrektur von Restfehlern, die durch die Nichtlinearität der Sensoren verursacht werden. Der Korrekturmechanismus approximiert vorzugsweise den Restfehler durch eine vorbestimmte Funktion und wendet gewählte Korrekturfaktoren an, die der vorbestimmten Funktion entsprechen, um den Festfehler auszugleichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Magnet an einem beweglichen Glied angebracht, das sich entlang einem vordefinierten Weg endlicher Länge bewegt. Ein Array von Magnetfeldwandlern befindet sich neben dem vordefinierten Weg. Die Wandler liefern ein bipolares Ausgangssignal, wenn sich der Magnet jedem Wandler nähert, an diesem vorbeiläuft und sich von diesem wegbewegt. Um die Position des Magneten und somit des beweglichen Gliedes zu bestimmen, werden die Wandler elektronisch abgetastet und es werden Daten aus einer Gruppe von Wandlern mit einem Ausgangssignal gewählt, das eine relative Nähe des Magneten anzeigt.
Durch Dividieren der Amplituden der Ausgangssignalwerte der gewählten Wandler auf vorbestimmte Weise wird ein Verhältnis berechnet. Die Position des Magneten wird dann bestimmt durch Anwenden eines Korrekturfaktors auf das Verhältnis. Vorzugsweise korrigiert der Korrekturfaktor zumindest teilweise die Nichtlinearität der Wandler.
Um das Verhältnis zu berechnen, werden vorzugsweise zwei angrenzende Wandler gewählt, wobei der erste Wandler einen positiven Ausgangssignalwert "A" und der zweite Wandler einen negativen Ausgangssignalwert "B" aufweist (obwohl diese umgekehrt werden können). Durch Verwendung der Ausgangssignalwerte A und B kann man ein Verhältnis berechnen, das mit der Position des Magneten relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler wie oben beschrieben zusammenhängt.
Bei einer ersten Ausführungsform ist das Verhältnis definiert als A/(A-B). Durch Aufnahme des Terms (A-B) in den Nenner können Gleichtakt-Verstärkungsschwankungen reduziert werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis definiert als [(A+B)/2]/(A-B). Durch Aufnahme des Terms [(A+B)/2] in den Zähler werden differentielle Schwankungen der Verstärkung oder des Sensoroffsets gemittelt und somit potentiell reduziert, und Gleichtakt- Sensoroffsetschwankungen werden genullt. Obwohl dieses Beispiel nur zwei Sensorsignale A und B enthält, wird in Betracht gezogen, daß in diesem Algorithmus mehr als zwei Sensorausgangssignale verwendet werden können (z. B. A, B, C, D, ...).
Wegen der Nichtlinearität der meisten Magnetfelder und des beschränkten linearen Bereichs der meisten Wandler enthalten die obigen Verhältnisse in der Regel einen Restfehler. Für die meisten Wandler ähnelt der Restfehler einer Funktion wie zum Beispiel einer sinusförmigen Funktion, einer Funktion n-ter Ordnung (mit n ≥ 1) oder irgendeiner anderen Funktion. Dementsprechend wird in Betracht gezogen, daß der Restfehler durch Verwendung einer dieser Funktionen approximiert werden kann. Die entsprechende Funktion kann während einer Kalibrierungsprozedur bestimmt werden. Sobald die entsprechende Funktion identifiziert wurde, kann man den Restfehler aus dem Verhältnis entfernen, indem einfach der Wert der Funktion, der dem Verhältniswert entspricht, addiert oder subtrahiert wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Funktion, die den Restfehler approximiert, in eine Anzahl von Segmenten aufgeteilt. Ein Korrekturfaktor, der der Amplitude der Funktion entspricht, wird jedem. Segment zugewiesen. Jeder der Korrekturfaktoren wird gespeichert, vorzugsweise in einer Nachschlagetabelle. Der Verhältniswert kann dann zur Identifikation des entsprechenden Korrekturfaktors aus der Nachschlagetabelle verwendet werden. Der gewählte Korrekturfaktor wird dann auf das Verhältnis angewandt und die Position des Magneten aus dem Ergebnis berechnet. Bei dieser Konfiguration ändert sich das gewünschte Verhältnis der Signale A und B, wenn der Magnet in Längsrichtung relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler bewegt wird, und der entsprechende Korrekturfaktor ändert sich, was zu einer fortwährend aktualisierten Position des Magneten führt.
Um die Gesamtposition des Magneten relativ zu dem vordefinierten Weg zu identifizieren, wird in Betracht gezogen, daß eine Anzahl von Offsetwerten bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird zum Verhältnis eines jede Wandlerpaars ein verschiedener Offsetwert addiert. Wenn zum Beispiel sechs Wandler entlang einem vordefinierten Weg der Länge L beabstandet sind, gibt es fünf Wandlerpaare und der Offsetwert kann C·(L/5)· n betragen, wobei C eine Konstante ist und n die Wandlerpaarposition (1...5) identifiziert. Abhängig von der Position des Magneten entlang der Länge des Weges relativ zu den Wandlerpaaren wird somit der entsprechende Offsetwert gewählt und angewandt. Das Offset liefert vorzugsweise ein gleichförmig zunehmendes oder abnehmendes Ausgangssignal, das mit der Position des Magneten entlang dem vordefinierten Weg zusammenhängt.
Die vorliegende Erfindung zieht außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines entlang einem definierten Weg beweglichen Gliedes in Betracht. Das Verfahren umfaßt vorzugsweise die folgenden Schritte: Bereitstellen eines an dem Glied angebrachten Felderzeugungsmittels zur Erzeugung eines Magnetfelds; Bereitstellen eines Arrays von Magnetfeldwandlern an bekannten Positionen neben dem definierten Weg, wobei jeder Wandler ein bipolares Ausgangssignal erzeugt, wenn sich das Felderzeugungsmittel jedem Wandler nähert, an ihm vorbeibewegt und von ihm wegbewegt; wobei jeder Wandler einen Ausgangssignalwert für eine erste Position des Felderzeugungsmittels erzeugt; und.
Berechnen eines Verhältnisses unter Verwendung der Ausgangssignalwerte gewählter Wandler; und Anwenden eines gewählten Korrekturfaktors auf das Verhältnis, um die erste Position zu bestimmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines beweglichen Gliedes mit einem parallel dazu orientierten Magneten und einer Anzahl angrenzender Wandler;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines beweglichen Gliedes mit einem senkrecht dazu orientierten Magneten und einer Anzahl angrenzender Wandler;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines zylindrisch geformten Magneten;
Fig. 4 ist eine erste Querschnittsansicht des Magneten von Fig. 3 entlang der Linie 4-4;
Fig. 5 ist eine zweite Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Magneten von Fig. 3 entlang der Linie 4-4;
Fig. 6A ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Teil eines Ventilstamms und eines Ventiljochs;
Fig. 6B ist ein Schaltbild einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Teil eines sich drehenden Ventilschafts und einem angebrachten Arm;
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild des Sensormoduls von Fig. 6A;
Fig. 8 zeigt eine Anzahl von Kurven, die die Ausgangssignale von gewählten Wandlern von Fig. 7 darstellen;
Fig. 9A zeigt beispielhafte Ausgangssignale von zwei benachbarten Wandlern von Fig. 7;
Fig. 9B zeigt beispielhafte Ausgangssignale von zwei benachbarten Wandlern von Fig. 7, die jeweils relativ zu der in Fig. 9A gezeigten eine vergrößerte Amplitude aufweisen;
Fig. 9C zeigen beispielhafte Ausgangssignale von zwei benachbarten Wandlern von Fig. 7 und deren Mittelwerte;
Fig. 10 zeigt ein Verhältnis A/(A-B) für zwei benachbarte Wandlerpaare;
Fig. 11 zeigt eine Zusammensetzung der beiden Verhältnisse von Fig. 10, wobei auf jede ein verschiedenes Offset angewandt wird;
Fig. 12 zeigt eine Zusammensetzung der Verhältnisse von fünf Wandlerpaaren;
Fig. 13 zeigt einen beispielhaften Restfehler des zusammengesetzten Signals von Fig. 12, überlagert mit einer Sinusapproximation;
Fig. 14 zeigt eine sinusförmige Funktion, die den in Fig. 13 gezeigten Restfehler approximiert;
Fig. 15 zeigt eine Nachschlagetabelle zum Speichern einer Anzahl von Korrekturfaktoren entsprechend der sinusförmigen Funktion von Fig. 14;
Fig. 16 zeigt eine Zusammensetzung der Ausgangssignale von fünfen der Wandler von Fig. 12, nachdem die Korrekturfaktoren von Fig. 15 darauf angewandt wurden;
Fig. 17 ist ein Flußdiagramm eines beispielhaften Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Vorrichtung zur Erkennung der Position eines beweglichen Gliedes, wie zum Beispiel eines Ventilstamms, ist in den Zeichnungen gezeigt und trägt die allgemeine Kennzeichnung 10. Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Magneten 12 und seiner Magnetflußlinien 15. Wandler 22 (siehe auch Fig. 6A) befinden sich entlang der Linie 17 zum Beispiel an den Stellen 21. Der Magnet 12 bewegt sich entlang der Linie oder dem Weg 23. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetpole parallel zu der Linie oder dem Weg 23 des Magneten 23 ausgerichtet.
Die Wandler 22 können so ausgelegt werden, daß sie für eine Magnetfeldkompenente in einer bestimmten Richtung, wie zum Beispiel entlang der x-, y- oder der z-Achse von Fig. 1, empfindlich sind. Ein Beispiel für diese Art von Sensor ist ein Hall-Sensor, der so angeordnet ist, daß er entlang der x-Achse empfindlich ist. Als Alternative können die Wandler 22 so ausgelegt werden, daß sie für eine Kombination von Komponenten empfindlich sind. Ein Beispiel für diese Art von Sensor ist ein Wandler aus magnetoresistivem Material, wie zum Beispiel Permalloystreifen, die zu einer Brückenanordnung verbunden sind, die in der x-y-Ebene liegt und in einem Feld arbeitet, das stark genug ist, um die Permalloystreifen zu sättigen. Unter diesen Bedingungen ist die Widerstandsänderung der Permalloystreifen ein Maß für den Winkel der Magnetisierung in der x-y-Ebene und deshalb ein Maß für den Winkel des Magnetfelds. Zu beispielhaften magnetoresistiven Wandlern gehören HMC1001, HMC1002 oder HMC1501, die alle von dem Halter der vorliegenden Erfindung erhältlich sind.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Pole des Magneten 12 senkrecht zu der Linie oder dem Weg 23 orientiert sind. Entsprechend sind die Magnetflußlinien 19 dieser Ausführungsform um 90 Grad von den Flußlinien 15 von Fig. 1 versetzt. Für beide Ausführungsformen von Fig. 1 und Fig. 2 messen die Wandler 22 vorzugsweise den Winkel des Magnetfelds an den Stellen 21.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines zylindrisch geformten Magneten. Der zylindrisch geformte Magnet 12 ist vorzugsweise an dem beweglichen Glied angebracht, wie zum Beispiel einem Ventilstamm 14 (siehe Fig. 6A). Fig. 4 ist eine erste Querschnittsansicht des Magneten von Fig. 3 entlang der Linie 4-4, wobei ein SOLD- Querschnitt gezeigt ist. Eine Begrenzung eines Magneten mit festem Querschnitt besteht darin, daß es schwierig sein kann, einen hohen Magnetisierungsgrad zu erzielen. Ein Grund dafür besteht darin, daß es schwierig ist, ein starkes Magnetfeld an das innere Material des Magneten anzulegen.
Um den Fluß, der auf das innere Material des Magneten angewandt werden kann, zu vergrößern, wird in Betracht gezogen, daß ein Bohrung 25 durch den Magneten 12 bereitgestellt wird, wie in Fig. 5 gezeigt. Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, wie zum Beispiel eine Spule, kann durch die Bohrung 25 während der Magnetisierung des Magneten eingeführt werden. Dadurch kann die Schwierigkeit wesentlich abnehmen und der Magnetisierungsgrad des Magneten zunehmen. Um den Magneten von Fig. 5 zu benutzen, wird in Betracht gezogen, daß die Bohrung 25 das bewegliche Glied aufnimmt. Bei dieser Konfiguration ist der Magnet 12 umfänglich um mindestens einen Teil der äußeren Oberfläche des beweglichen Gliedes 14 positioniert.
Fig. 6A ist eine Seitenansicht einer bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 10 enthält einen Magneten 12, der an einem Ventilstamm 14 angebracht ist, der wiederum an anderen (nicht gezeigten) beweglichen Ventilteilen angebracht ist, die den Fluß durch das Ventil verändern. Der Ventilstamm 14 ist entlang seiner Längsachse 16 beweglich. Die Vorrichtung 10 enthält außerdem ein Sensormodul bzw. Elektronikmodul 18, das an dem Ventiljoch 20 oder einem anderen geeigneten festen Träger, der sich neben dem Ventilstamm 14 befindet, angebracht ist. Das Sensormodul 18 enthält Magnetfeldwandler 22, die in einem linearen Array 24 parallel zu der Längsachse 16 angeordnet sind, wobei die Wandler 22 in einem bekannten Abstand 26 liegen.
Der Magnet 12 bewegt sich, wenn sich der Ventilstamm 14 bewegt, und das Magnetfeld von dem Magneten 12 bewegt sich ebenfalls entlang dem Array 24. Der Magnet 12 liefert ein Magnetfeld, das durch Komponenten entlang dreier zueinander senkrechten Achsen dargestellt werden kann. Wie oben angegeben, können die Wandler 22 so ausgelegt werden, daß sie für eine Magnetfeldkomponente in einer einzigen Richtung, z. B. entlang der x-Achse, oder für Magnetfeldkomponenten in einer Kombination von Richtungen empfindlich sind. Jeder Wandler 22 erhält Magnetfelddaten, wenn sich der Magnet 12 in seiner Nähe befindet.
Fig. 6B zeigt eine Anordnung der Erkennungsvorrichtung 10 zur Verwendung mit einer Einrichtung, bei der die erforderliche Bewegung ein gekrümmter Weg ist. Ein Beispiel für diese Art von Anwendung ist ein Ventil, das für eine Steuerung durch Drehbewegung um eine Achse 60 eines Schafts 62 entworfen ist. Ein Hebelarm 24 ist an dem Schaft 62 befestigt und eine Bewegung des Endes 66 des Hebelarms 24 steuert den Fluß durch das Ventil. Die Wandler 22a sind mit dem Elektronikmodul 18a verbunden, das an einer festen Halterung gehalten wird. Bei dieser Anordnung werden die magnetoresistiven Wandler 22a in einem gekrümmten Weg angeordnet, der einen Teil des kreisförmigen Weges um den Schaft 62 darstellt. In anderer Hinsicht ist die Funktionsweise der in Fig. 6B dargestellten Vorrichtung 10 der in Fig. 6A gezeigten Anordnung ähnlich.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild des Sensormoduls 18 von Fig. 6A. Die Wandler 22 sind durch Leiter 28 mit dem Sensormodul 18 verbunden. Magnetfelddaten aus den Wandlern 22 können in Reihen- oder Parallelschaltung erhalten werden. Um den Stromverbrauch möglichst gering zu halten, können die Wandler 22 mit dem Multiplexer 80 verdrahtet werden, um Daten wie gezeigt seriell zu erhalten. Fig. 7 zeigt außerdem den Analog/Digital- Umsetzer (A/D) 82, den Mikroprozessor 84 und seinen zugeordneten Speicher 86. Der Mikroprozessor 84 steuern über die Steuerleitungen 88, welcher Wandler 22 mit dem Analog/Digital-Umsetzer 82 verbunden wird. Um Daten in einer kürzeren Zeit zu erhalten, können die Wandler 22 mit einzelnen A/D-Umsetzern verbunden werden, die wiederum einzeln mit einem Mikroprozessor 84 verbunden sind.
Der Mikroprozessor 84 ist vorzugsweise ein Prozessor mit niedrigerer Stromaufnahme und niedrigerer Leistung, wie zum Beispiel ein Motorola 68HCO5 oder ein Mikrochip PIC16C71, mit geeigneter Programmierung, um einen Algorithmus zum Wählen entsprechender Ausgangssignale von den Wandlern 22, zur Berechnung eines Verhältnisses, zum Wählen und zum Addieren eines entsprechenden Korrekturfaktors zu dem Verhältnis und zum Bereitstellen eines Signals oder Zählwerts, das die Position des Magneten entlang des vordefinierten Wegs anzeigt, zu verwenden. Zu diesem Zweck kann ein Algorithmus in dem Mikroprozessor 84 eingebettet werden. Der Mikroprozessor 84 wird vorzugsweise geeignet programmiert, um Funktionen bereitzustellen, die die folgenden umfassen: periodisches Scannen der Ausgänge jedes Wandlers, um Daten zu erhalten; Wählen von zwei oder mehr Wandlern mit einem Ausgangssignal, das eine relative Nähe zu dem Magneten anzeigt; Berechnen eines Verhältnisses der Ausgangssignale ausgewählten Wandler; Wählen und Anwenden eines entsprechenden Korrekturfaktors; und Addieren eines entsprechenden Offsetwerts, um die Position des Magneten zu erhalten.
Fig. 8 zeigt Magnetfelddaten, die das Ausgangssignal jedes Wandlers 22 für ein Array von 9 (neun) Wandlern als Funktion der Position eines Dipolmagneten 12 darstellen. Während sich der Magnet 12 jedem Wandler 22 nähert, an diesem vorbeiläuft, und sich von diesem wegbewegt, liefert jeder Wandler 22 ein veränderliches Ausgangssignal. Die Ausgangssignale werden mit a bis i bezeichnet. Die vertikale Linie 38 stellt die Position des Magneten 12 dar. Während sich der Magnet 12 bewegt und sich einer seiner Pole einem Wandler nähert, erfolgt ein linearer Anstieg bzw. Abfall seiner Ausgangssignalspannung. Abhängig von der Stärke des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds und dem Abstand des Magneten von dem Wandler wird die lineare Kurve nichtlinear, bis eine maximale Ausgangsspannung erreicht wird, woraufhin die Ausgangsspannung abfällt.
Um immer im linearen Bereich zu arbeiten, muß der Wandlerabstand im Vergleich zu der Länge des Magneten relativ klein sein. Das heißt, um sicherzustellen, daß die benachbarten Wandler im linearen Bereich arbeiten, müssen die Pole des Magneten genügend von beiden benachbarten Wandlern verschoben sein. Dadurch können sich jedoch die Kosten der Positionsbestimmungseinrichtung signifikant vergrößern. Außerdem ist es häufig schwierig, die Wandler unter allen Betriebsbedingungen in dem linearen Bereich zu halten. Angesichts dessen zieht die vorliegende Erfindung eine Korrektur der Nichtlinearitäten in den Wandlerausgängen durch Anwenden eines Korrekturfaktors in Betracht, wie unten ausführlich beschrieben wird.
Fig. 9A zeigt beispielhafte Ausgangssignale 90 und 92 eines ersten und eines zweiten Wandlers. Die vertikale Linie 89 stellt die Position des Magneten 12 dar. An der vertikalen Linie 89 weist der erste Wandler einen positiven Ausgangssignalwert "A" 94 auf und der zweite Wandler einen negativen Ausgangssignalwert "B" 96. Diese Beziehung zwischen den Signalen A und B zeigt an, daß die Position des Magneten 12 an einer irgendwo zwischen dem ersten Wandler und dem zweiten Wandler liegt. Um die Position des Magneten 12 relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler zu bestimmen, wird durch Dividieren der Amplituden der Ausgangssignalwerte 94 und 96 des ersten und des zweiten Wandlers auf vorbestimmte Weise ein Verhältnis berechnet. Nach dem Anwenden eines Korrekturfaktors auf das Verhältnis kann man die Position des Magneten durch Interpolation auf eine Stelle zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler bestimmen. Der Korrekturfaktor korrigiert vorzugsweise zumindest teilweise die Nichtlinearität der Wandler, wie unten weiter beschrieben wird.
Das Verhältnis kann als A/(A-B) definiert werden. Durch Aufnahme des Terms (A-B) in den Nenner können Gleichtakt-Verstärkungsschwankungen reduziert werden. Zum Beispiel, und wie in Fig. 9B gezeigt, kann die Gleichtaktverstärkung zunehmen, wodurch sich die Amplitude des Ausgangssignalwerts "A" 94 des ersten Wandlers vergrößert und die Amplitude des Ausgangssignalwerts "B" 96 des zweiten Wandlers verkleinert. Eine vergrößerte Gleichtaktverstärkung vergrößert somit den Wert von "A" und vergrößert den Wert von(A-B). Folglich kann das Verhältnis A/(A-B) weniger empfindlich auf die Gleichtaktverstärkung als ein einfaches Verhältnis von A/B reagieren.
Als Alternative kann das Verhältnis als [(A+B)/2]/(A+B) definiert werden. Durch Aufnahme des Terms [(A+B)/2] in den Zähler werden differentielle Schwankungen der Verstärkung oder des Sensoroffsets gemittelt und somit potentiell reduziert, und Gleichtakt-Sensoroffsetschwankungen werden genullt. Die Größe [(A+B)/2] ist in Fig. 9C bei 100 gezeigt. Obwohl dieses Beispiel nur zwei Sensorsignale A und B enthält, wird in Betracht gezogen, daß in diesem Algorithmus mehr als zwei Sensorausgangssignale verwendet werden können (z. B. A, B, C, D, ...).
Fig. 10 zeigt das Verhältnis A (A-B) für zwei benachbarte Wandlerpaare. Das Verhältnis A/(A-B) für ein erstes der Wandlerpaare ist bei 106 gezeigt, und das Verhältnis A/(A-B) für ein zweites der Wandlerpaare ist bei 108 gezeigt. Beide Verhältnisse sind als tangentenförmige Funktionen gezeigt, weil, wenn A gleich B ist, wie zum Beispiel an den Punkten 102 und 104 in Fig. 9A gezeigt, sich die Verhältnisse unendlich nähern. Jede der Tangentenfunktionen weist zwei nichtlineare Bereiche mit einem sich dazwischen erstreckenden relativ linearen Bereich auf. Die nichtlinearen Bereiche entsprechen den nichtlinearen Bereichen der entsprechenden Wandler. Ähnlich entspricht der lineare Bereich dem linearen Bereich der entsprechenden Wandler.
Vorzugsweise sind die Wandler so beabstandet, daß sich die Tangentenfunktionen zumindest zu einem bestimmten Grad überlappen. Zum Beispiel erstreckt sich die Tangentenfunktion 106 von den vertikalen Linien 110 bis 112 und die Tangentenfunktion 108 von den vertikalen Linien 114 bis 116. Die Überlappung zwischen den Tangentenfunktionen erfolgt zwischen den vertikalen Linien 112 und 116. Durch die Überlappung kann der Mikroprozessor 84 (siehe Fig. 7) von einem Wandlerpaar zu einem anderen umschalten, wenn die Verhältnisse irgendeinen Maximalwert überschreiten. Es wird jedoch zugelassen, daß die Wandler ausreichend beabstandet sind, so daß mindestens ein Teil der nichtlinearen Bereiche gewählter Wandler während der Positionsbestimmung des Magneten 12 verwendet wird.
Um die Gesamtposition des Magneten relativ zu dem vordefinierten Weg zu identifizieren, wird in Betracht gezogen, daß eine Anzahl von Offsetwerten bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird zu dem von jedem Wandlerpaar bereitgestellten Verhältnis ein verschiedener Offsetwert addiert. Wenn zum Beispiel sechs Wandler entlang einem vordefinierten Weg der Länge L beabstandet sind, gibt es fünf Wandlerpaare und der Offsetwert kann C* (L/5) * n betragen, wobei C eine Konstante ist und n die Wandlerpaarposition (1...5) identifiziert. Abhängig von der Position des Magneten relativ zu den fünf Wandlerpaaren wird somit der entsprechende Offsetwert gewählt und angewandt. Das Offset liefert vorzugsweise ein gleichförmig zunehmendes oder abnehmendes Ausgangssignal, das mit der Position des Magneten entlang dem vordefinerten Weg zusammenhängt.
Fig. 11 zeigt eine Zusammensetzung der beiden Verhältnisse von Fig. 10, wobei auf jedes verschiedene Offsets angewandt werden. Die Offsets werden so bereitgestellt, daß das untere Ende des Verhältnisses 108 des zweiten Wandlerpaars mit dem oberen Ende des Verhältnisses 106 des ersten Wandlerpaars ausgerichtet wird. In dem beispielhaften Diagramm hat der Mikroprozessor 84 bei 120 von dem ersten Wandlerpaar auf das zweite Wandlerpaar umgeschaltet. Fig. 12 zeigt eine Zusammensetzung der Verhältnisse von fünf Wandlerpaaren.
Wegen der nichtlinearen Bereiche der meisten Magnetfeldwandler enthält das von jedem Wandlerpaar gelieferte Verhältnis in der Regel einen Restfehler. Für die meisten Wandler ähnelt der Restfehler einer Funktion, wie zum Beispiel einer sinusförmigen Funktion, einer Funktion n-ter Ordnung (mit n ≥ 1) oder irgendeiner anderen Funktion. Unter spezifischer Bezugnahme auf Fig. 12 wäre ein idealer Positionssensorausgang eine Gerade, wie bei 130 gezeigt. Aufgrund der Nichtlinearität in den Wandlern bewirkt der Restfehler jedoch, daß das Positionssensorausgang davon abweicht, wie bei 132 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel ähnelt der Restfehler einer sinusförmigen Funktion, und wird in Fig. 13 ausdrücklich bei 136 gezeigt.
Um die Nichtlinearität in den Wandlern auszugleichen, wird in Betracht gezogen, daß der Restfehler durch Verwendung einer entsprechenden Funktion, wie zum Beispiel einer sinusförmigen Funktion, approximiert werden kann. Vorzugsweise wird die entsprechende Funktion während der Kalibrierungsprozedur bestimmt. Unter spezifischer Bezugnahme auf Fig. 13 kann der Restfehler 136 durch eine sinusförmige Funktion 138 approximiert werden. Sobald die entsprechende Funktion identifiziert wurde, kann man den Restfehler 136 von dem Verhältnis entfernen, indem einfach der entsprechende Wert der Funktion zu/von dem Verhältnis addiert oder subtrahiert wird.
Fig. 14 zeigt eine sinusförmige Funktion, die den in Fig. 13 gezeigten Restfehler 136 approximiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Funktion, die den Restfehler approximiert, in eine Anzahl von Segmenten 140 aufgeteilt. Ein Korrekturfaktor, der der Amplitude der Funktion in jedem Segment entspricht, wird jedem der Segmente 140 zugewiesen. Jeder der Korrekturfaktoren wird gespeichert, vorzugsweise in einer Nachschlagetabelle 150, wie allgemein in Fig. 15 gezeigt. Der Wert des Verhältnisses kann dann zur Identifikation eines entsprechenden Korrekturfaktors aus der Nachschlagetabelle 150 verwendet werden. Der gewählte Korrekturfaktor kann dann auf das Verhältnis angewandt werden und die Position des Magneten kann daraus berechnet werden. Bei dieser Konfiguration ändert sich das gewünschte Verhältnis der Signale A und B, wenn der Magnet in Längsrichtung relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler bewegt wird, und der entsprechende Korrekturfaktor ändert sich, was zu einer fortwährend aktualisierten Position des Magneten führt.
Um die für die Implementierung der vorliegenden Erfindung erforderliche Hardware zu verringern, wird in Betracht gezogen, daß die Korrekturfaktoren nur für einen Teil der sinusförmigen Funktion in der Nachschlagetabelle 150 gespeichert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel werden die Korrekturfaktoren, die nur einem Viertel der sinusförmigen Funktion 138 entsprechen, in der Nachschlagetabelle 150 gespeichert. Dies kann geschehen, da die sinusförmige Funktion 138 vier gleichgeformte Bereiche 142, 144, 146 und 148 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel wird der erste Bereich 142 in 128 Intervalle aufgeteilt und die Nachschlagetabelle speichert 128 entsprechende Korrekturfaktoren. Die Nachschlagetabelle kann der EEPROM 86 von Fig. 7 sein.
Bei der Anwendung der Korrekturfaktoren bestimmt der Mikroprozessor 84 vorzugsweise, welcher Bereich der sinusförmigen Funktion dem bestimmten Verhältniswert entspricht. Sobald dies bestimmt wurde, wird der Verhältniswert zur Auswahl eines entsprechenden Korrekturfaktors aus der Nachschlagetabelle 150 verwendet. Wenn zum Beispiel die Position des Magneten von links nach rechts bewegt wird, werden die dem ersten Bereich 142 zugeordneten Korrekturfaktoren zuerst angewandt, worauf die Faktoren des zweiten Bereichs 144, des dritten Bereichs 146 und schließlich des vierten Bereichs 148 folgen. Bei der Bewegung durch den ersten Bereich 142 greift der Mikroprozessor 84, wenn das Verhältnis zunimmt, vorzugsweise in aufsteigender Reihenfolge auf die Nachschlagetabelle zu und subtrahiert die entsprechenden Korrekturfaktoren entsprechend von dem Verhältnis. Bei der Bewegung durch den zweiten Bereich 144 greift der Mikroprozessor 84 vorzugsweise, wenn das Verhältnis zunimmt, in absteigender Reihenfolge auf die Nachschlagetabelle zu und subtrahiert die entsprechenden Korrekturfaktoren von dem Verhältnis. Bei der Bewegung durch den dritten Bereich 146 greift der Mikroprozessor 84 vorzugsweise in aufsteigender Reihenfolge auf die Nachschlagetabelle zu, wenn das Verhältnis zunimmt, und addiert die entsprechenden Korrekturfaktoren zu dem Verhältnis. Schließlich greift der Mikroprozessor 84 bei der Bewegung durch den vierten Bereich 148 vorzugsweise in absteigender Reihenfolge auf die Nachschlagetabelle zu, wenn das Verhältnis zunimmt, und addiert die entsprechenden Korrekturfaktoren zu dem Verhältnis.
Fig. 16 zeigt eine Zusammensetzung der Ausgangssignale von Fig. 12, nachdem die Korrekturfaktoren von Fig. 15 angewandt wurden. Es ist ohne weiteres zu sehen, daß der Ausgang des Positionssensors gegenüber dem in Fig. 12 gezeigten wesentlich verbessert ist.
Es wird in Betracht gezogen, daß die vorliegende Erfindung mit analoger Logik, digitaler Logik oder vorzugsweise einer Kombination davon implementiert werden kann. Wieder mit Bezug auf Fig. 7 liefern die Wandler 22 vorzugsweise analoge Ausgangssignale. Der Analog/Digital-Umsetzer 82 setzt vorzugsweise die analogen Ausgangssignalwerte jedes Wandlers 22 in einen entsprechenden Zählwert um. Der Mikroprozessor 84 bestimmt die Position des Magneten durch Berechnung eines ungefähren Positionszählwerts aus den Zählwerten gewählter Wandler. Der ungefähre Positionszählwert entspricht dem oben beschriebenen Verhältnis. Der Mikroprozessor 84 wendet vorzugsweise außerdem einen gewählten Korrekturzählwert auf den ungefähren Positionszählwert an, um die Position des Magneten 12 zu bestimmen.
Der ungefähre Positionszählwert wird vorzugsweise durch Ausführung einer Extrapolation zwischen den Zählwerten des gewählten Wandlerpaars berechnet. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 84 den ungefähren Positionswert dadurch berechnen, daß er einen ersten Wandler mit einem Zählwert "A" in einem ersten Bereich und einen zweiten Wandler mit einem Zählwert "B" in einem zweiten Bereich wählt und dann ein Verhältnis unter Verwendung von A und B berechnet, wobei das Verhältnis den ungefähren Positionszählwert entspricht.
Es wird auch in Betracht gezogen, daß eine Anzahl von Offset-Zählwerten bereitgestellt wird, wobei jeder Offset-Zählwert einem einer Anzahl von Intervallen entlang dem definierten Weg entspricht. Der Mikroprozessor 84 kann dann einen gewählten der Anzahl von Offset-Zählwerten zu dem ungefähren Positionszählwert addieren. Vorzugsweise entspricht der gewählte Offset-Zählwert dem gewählten Wandlerpaar.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 17 ist ein Flußdiagramm eines beispielhaften Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Algorithmus beginnt im Schritt 170, in dem die Steuerung an den Schritt 172 abgegeben wird. Schritt 172 wählt ein Wandlerpaar mit Ausgangssignalen, die eine relative Nähe des Magneten anzeigen. Die Steuerung wird dann an den Schritt 174 abgegeben. Schritt 174 berechnet ein Verhältnis der Ausgangssignale A und B des gewählten Wandlerpaars. Das Verhältnis wird vorzugsweise als A/(A-B) oder [(A+B)/2]/[(A-B)] berechnet. Danach wird die Steuerung an den Schritt 176 abgegeben. Der Schritt 176 addiert ein entsprechendes Offset abhängig von dem gewählten Wandlerpaar. Danach wird die Steuerung an den Schritt 178 abgegeben. Schritt 178 verwendet das Verhältnis, um einen entsprechenden Korrekturfaktor aus einer Nachschlagetabelle nachzuschlagen. Die Steuerung wird dann an den Schritt 180 abgegeben. Schritt 180 addiert oder subtrahiert den entsprechenden Korrekturfaktor zu/von dem Verhältnis, abhängig von dem Bereich, in dem dieses Verhältnis verankert ist. Die Steuerung wird dann an den Schritt 182 abgegeben, in dem der Algorithmus endet.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines entlang einem definierten Weg (23) beweglichen Gliedes (14), umfassend:

ein an dem Glied angebrachtes Felderzeugungsmittel (12) zur Erzeugung eines Magnetfelds;

ein Array von Magnetfeldwandlern (22) an bekannten Positionen neben dem definierten Weg, wobei jeder Wandler ein bipolares Ausgangssignal erzeugt, wenn sich das Felderzeugungsmittel jedem Wandler nähert, an ihm vorbeibewegt und von ihm wegbewegt;

wobei jeder Wandler einen Ausgangssignalwert für eine erste Position des Felderzeugungsmittels erzeugt; und

ein Bestimmungsmittel (86) zum Bestimmen der ersten Position des Felderzeugungsmittels durch Berechnen eines Verhältnisses (A/A+B) der Ausgangssignalwerte gewählter Wandler und zum Anwenden eines gewählten Korrekturfaktors (150) auf das Verhältnis, um die erste Position zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das bipolare Ausgangssignal jedes Wandlers einen nichtlinearen Bereich aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Korrekturfaktor (150) einen Teil des nichtlinearen Bereichs zumindest teilweise korrigiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der gewählte Korrekturfaktor (150) aus einer Anzahl von Korrekturfaktoren ausgewählt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Korrekturfaktoren (150) zusammen einer vorbestimmten Funktion entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Funktion eine sinusförmige Funktion ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Funktion eine Funktion n-ter Ordnung ist, wobei n größer oder gleich eins ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Bestimmungsmittel (86) das Verhältnis durch Wählen eines ersten Wandlers mit einem positiven Ausgangssignalwert "A" und eines zweiten Wandlers mit einem negativen Ausgangssignalwert "B" berechnet und A/(A-B) berechnet, wobei das Verhältnis mit der Position des Felderzeugungsmittels (12) relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler zusammenhängt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Bestimmungsmittel (86) weiterhin eine Nachschlagetabelle zum Speichern der Anzahl von Korrekturfaktoren umfaßt und wobei das Verhältnis zum Auswählen eines der Anzahl von Korrekturfaktoren aus der Nachschlagetabelle verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Bestimmungsmittel (86) das Verhältnis durch Wählen eines ersten Wandlers (22) mit einem positiven Ausgangssignalwert "A" und eines zweiten Wandlers (22) mit einem negativen Ausgangssignalwert "B" berechnet und [(A+B)/2]/(A-B) berechnet, wobei das Verhältnis mit der Position des Felderzeugungsmittels (12) relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler zusammenhängt.

11. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines entlang einem definierten Weg (23) beweglichen Gliedes (14), mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen eines an dem Glied angebrachten Felderzeugungsmittels (12) zur Erzeugung eines Magnetfelds;

Bereitstellen eines Arrays von Magnetfeldwandlern (22) an bekannten Positionen neben dem definierten Weg, wobei jeder Wandler ein bipolares Ausgangssignal erzeugt, wenn sich das Felderzeugungsmittel jedem Wandler nähert, an ihm vorbeibewegt und von ihm wegbewegt;

Berechnen eines Verhältnisses (A/A+B) unter Verwendung der Ausgangssignalwerte gewählter Wandler; und

Anwenden eines gewählten Korrekturfaktors (150) auf das Verhältnis, um die erste Position zu bestimmen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin mit dem Schritt des Auswählens des gewählten Korrekturfaktors (150) aus einer Anzahl von Korrekturfaktoren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Anzahl von Korrekturfaktoren zusammen entlang einer vorbestimmten Funktion fällt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Funktion eine sinusförmige Funktion ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Funktion eine Funktion n-ter Ordnung ist, wobei n größer oder gleich eins ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Berechnungsschritt das Verhältnis durch Wählen eines ersten Wandlers (22) mit einem positiven Ausgangssignalwert "A" und eines zweiten Wandlers (22) mit einem negativen Ausgangssignalwert "B" berechnet und unter Verwendung von A und B ein Verhältnis berechnet, wobei das Verhältnis mit der Position des Felderzeugungsmittels relativ zu dem ersten und dem zweiten Wandler zusammenhängt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Verhältnis als A/(A-B) definiert ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Verhältnis als [(A+B)/2]/(A-B) definiert ist.

19. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem weiterhin einer der Anzahl von Korrekturfaktoren aus einer Nachschlagetabelle ausgewählt wird.