ES2211384T3 - Sensor de posicion. - Google Patents
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Abstract
Un sensor de posición (10) para determinar una posición de ajuste del mismo, que comprende un generador (12, 24, 26) de campo magnético variable en el tiempo; un elemento eléctricamente conductivo (18) situado de modo que dicho campo magnético variable en el tiempo genera corrientes parásitas en el mismo; al menos dos captadores (14, 16) para generar una señal (U1, U2) de respuesta a dicho campo magnético variable en el tiempo; y un procesador de señal (30) preparado para recibir, de dichos al menos dos captadores (14, 16) en combinación, dichas señales (U1, U2) y determinar la posición de ajuste del sensor de posición (10), en el que el elemento conductivo (18) es móvil respecto a los, al menos, dos captadores (14, 16) de modo que las señales (U1, U2) generadas por dichos captadores (14, 16) tienen una magnitud que depende de la posición de dicho elemento conductivo (18), correspondiendo la posición del elemento conductivo (18) a la posición de ajuste del sensor (10), y en el que el generador (12, 24, 26) del campo magnético variable en el tiempo comprende un bucle conductivo de excitación (12) y una fuente (26) de corriente alterna para hacer circular una corriente alterna por dicho bucle de excitación (12), y en el que dichos al menos dos captadores (14, 16) tienen la forma de dos bucles sensores (14, 16), estando dicho sensor de posición (10) caracterizado porque cada bucle sensor (14, 16) está situado dentro de un área proyectada de dicho bucle de excitación (12), de modo que los dos bucles sensores (14, 16) mencionados tengan un área proyectada combinada que sea menor que el área proyectada de dicho bucle de excitación (12).
Description
Sensor de posición.
La presente invención se refiere a un sensor de
posición que puede utilizarse, por ejemplo, como regulador
electrónico o interruptor giratorio.
En el ámbito de los enseres domésticos se
utilizan muchos interruptores giratorios con objeto de regular
programas de lavado en máquinas lavadoras o ajustes de temperatura
en cocinas eléctricas. Sin embargo, tales interruptores giratorios
están afectados por varias desventajas.
Una desventaja significativa de los interruptores
giratorios actualmente existentes es que, generalmente, no están
exentos del desgaste natural, y pueden experimentar deterioro de
funcionamiento durante su vida útil. Una desventaja adicional es
que, en general, son complejos de fabricar y complicados de poner
en contacto con un cuadro de mandos.
En un cuadro de mandos pueden incorporarse
interruptores selectores. No obstante, tales interruptores tienen
un tiempo de vida limitado y carecen de la flexibilidad de un
interruptor giratorio, dado que el número de posiciones está
limitado por la construcción geométrica. Además, a medida que
aumenta el número de posiciones, de modo que también se eleva la
complejidad del interruptor, aumenta el coste. Si se utilizan
sensores que generen una señal de sensor de respuesta a un cambio
del campo originado por rotación del interruptor giratorio, puede
remediarse esta desventaja. Tales sensores, sin embargo, por lo
general son sensibles a la temperatura, caros y a menudo muestran
histéresis, lo cual limita el número de posiciones del interruptor.
Un ejemplo de esta clase de interruptor sensible al campo puede ser
uno que incorpore un mecanismo capacitivo, en el que se varíe la
capacitancia mediante la rotación del selector. Una realización de
este tipo no es adecuada en muchas situaciones debido a su
sensibilidad a la humedad. Los sensores que usan el fenómeno de la
inducción son resistentes a la humedad.
Los sensores de posición inductivos son conocidos
en el ámbito de los motores eléctricos y similares para determinar
la posición angular del rotor. En el documento norteamericano
5.621.179 se describe un ejemplo. En el documento norteamericano
4.507.638 se describe un sensor de posición giratorio que emplea
bobinas planas. En la realización descrita en el mismo, una placa
giratoria está intercalada entre las bobinas excitadora y sensora.
La placa giratoria está hecha de un material que impide que un
campo magnético inducido en la bobina de excitación alcance o
active la bobina sensora. Para proporcionar sensibilidad de
posición, la placa giratoria puede tener una forma similar a una
leva. De modo alternativo, puede utilizarse una pluralidad de
bobinas excitadoras y sensoras que tengan una distribución alrededor
del ángulo de funcionamiento. A las bobinas excitadoras, que pueden
tener la forma de una bobina plana dispuesta sobre una tarjeta de
circuitos impresos, se aplican señales de impulsos o de corriente
alterna.
En el documento norteamericano 5.239.288 se
describe otro sensor de posición. El sensor descrito en el mismo
comprende un conjunto de estator y un conjunto de rotor. Cada uno
de los conjuntos de estator y de rotor comprende una pluralidad de
capas sobre las que están dispuestas una o más bobinas multiespira.
A uno de los devanados del estator se aplica una señal de corriente
alterna que hace que se genere una corriente en los devanados del
rotor. Como consecuencia, en bobinas adicionales del estator se
genera una señal que depende de la posición angular del rotor.
El documento EP 452 803 A1 describe un sensor de
posición inductivo que determina la posición a medir de un objeto
móvil, con un sistema de bobina que puede ser influido por el
movimiento de un núcleo acoplado al objeto de medición, en el que
el sensor de posición inductivo funciona según el principio de
cambio de acoplamiento por transformador y una pantalla metálica por
corrientes parásitas o de Foucault, necesaria para cambiar el
acoplamiento por transformador, está compuesta por al menos una
parte del núcleo, y en el que el objeto que se mide es la varilla
de mando de la bomba de inyección de un motor de combustión
interna, estando el núcleo unido a la varilla de mando y estando
provisto de una ranura cónica o muesca y/o un rebaje creciente.
Además, la anterior solicitud EP 992 765 A1
describe un problema a resolver y una solución. El problema a
resolver es efectuar la medición exacta del movimiento lineal de
desplazamiento, realizando la configuración de modo que se produzca
una corriente primaria constante en una condición sin carga de una
bobina secundaria.
La solución ha de verse en un detector de la
cantidad de desplazamiento que tiene bobinas primarias del mismo
número de espiras dispuestas de modo que determinan un eje de
bobinas común, conectadas en serie en sentidos inversos, y
conectadas al lado de salida de un amplificador de modo que sea
fuente de tensión de corriente alterna. Se dispone de un apoyo de
bobinas que fija las bobinas primarias a fin de que un núcleo
resulte móvil en la dirección longitudinal dentro de un conducto
pasante. Una bobina secundaria fijada entre las bobinas primarias
está colocada coaxialmente con respecto al eje común de las
bobinas, y una resistencia y un condensador están conectados a sus
terminales y constituyen una carga para el detector de la cantidad
de desplazamiento. En este caso, la carga produce una relación
especificada entre la corriente de entrada de un aparato de
medición y una posición de movimiento del núcleo, puesto que la
configuración está hecha de modo que una corriente que circula en
las bobinas primarias puede mantenerse constante en una condición de
funcionamiento sin carga de la bobina secundaria. Usando esta
relación para calibrar un efecto no lineal es posible realizar una
medición de la cantidad de desplazamiento que tenga mejor
linealidad.
Finalmente, el documento DE 43 35 701 A1 describe
un sensor de posición para determinar una posición de ajuste del
mismo, que comprende
medios para generar un campo magnético que varía
en el tiempo; un elemento eléctricamente conductivo situado de modo
que dicho campo magnético variable en el tiempo genera corrientes
parásitas en el mismo;
al menos un captador para generar una señal de
respuesta a dicho campo magnético variable en el tiempo;
y medios de cálculo para procesar dicha señal a
fin de determinar la posición de ajuste del sensor de posición,
en el que el elemento conductivo es móvil al
menos respecto a un captador de modo que la señal generada por
dicho captador tenga una magnitud que depende de la posición de
dicho elemento conductivo, correspondiendo la posición del elemento
conductivo a dicha posición del sensor. El documento describe además
dos captadores, generando cada uno de dichos captadores una señal
de respuesta a dicho campo magnético variable en el tiempo, en el
que dichos medios de cálculo procesan las señales de dichos al
menos dos captadores en combinación.
La presente invención proporciona un sensor de
posición según la reivindicación 1. Según las reivindicaciones
dependientes se proporcionan aspectos adicionales de realizaciones
preferentes de la invención.
Ahora se describirán realizaciones de la
invención, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos
anejos en los que:
la figura 1 es una sección transversal de un
sensor de posición giratorio de la invención;
la figura 2 es una vista esquemática de un sensor
de la invención, que muestra las disposiciones de las bobinas de
excitación y sensoras junto con el conjunto de circuitos
asociado;
la figura 3 muestra la disposición de la figura 2
con un elemento apantallador que cubre las bobinas.
Con referencia a las figuras 1 y 2, en ellas se
muestra un sensor de posición giratorio 10 de la invención. El
sensor de posición 10 comprende una bobina de excitación 12 y dos
bobinas sensoras 14 y 16. Una placa conductora de apantallamiento
18 está fijada a un husillo giratorio 20. En la realización
mostrada en la figura 1, la placa apantalladora 18 está unida a un
botón de mando 22 hecho de plástico.
La bobina de excitación 12 y las bobinas sensoras
14 y 16 se muestran como bucles de una sola espira con conectadores
24 en los extremos de los bucles. De modo alternativo, una o más de
las bobinas pueden ser bobinas multiespira, que tengan una
estructura parecida a espiral. La bobina de excitación 12 tiene una
forma que se aproxima a un círculo completo, mientras que las
bobinas sensoras 14 y 16 tienen forma de sector, con un área
encerrada de aproximadamente un tercio del área de la bobina de
excitación 12. Como se muestra en la figura 3, la placa de
apantallamiento 18 también tiene forma de sector con un área que es
aproximadamente igual a un tercio del área de la bobina de
excitación 12. La bobina de excitación 12 y las bobinas sensoras 14
y 16 son, preferentemente, pistas definidas sobre una tarjeta de
circuitos impresos. La placa de apantallamiento está troquelada,
preferentemente, a partir de una chapa de acero normal, unida al
botón de mando 22 y al husillo giratorio 20 mediante moldeo por
inyección.
La placa apantalladora tiene preferentemente la
forma de un sector de círculo. No obstante, debe hacerse notar que
la forma de la placa apantalladora puede ser cualquier forma que
pueda hacerse girar alrededor del husillo giratorio 20. El área de
la placa apantalladora no debe ser menor que un tercio del área
interior de la bobina excitadora.
Los conectadores 24 de la bobina de excitación 12
están conectados a una fuente de corriente alterna 26. Las
tensiones inducidas en las bobinas sensoras 14 y 16 son convertidas
en sendas señales de corriente continua mediante los convertidores
28 respectivos. Estas señales de corriente continua se procesan
después mediante un microcontrolador 30 que tiene capacidad de
conversión analógica/digital.
La fuente de corriente 26 proporciona a la bobina
de excitación 12 una corriente que varía en el tiempo de 5 mA,
aproximadamente, la cual genera un flujo magnético \Phi variable
en el tiempo. Este flujo magnético variable en el tiempo tiene
componentes \Phi_{1} y \Phi_{2} que atraviesan las bobinas
sensoras 14 y 16, respectivamente. Estos flujos magnéticos inducen
una corriente en cada una de las bobinas sensoras 14 y 16, lo cual
hace que se produzca una diferencia de potencial a través de una
resistencia de las bobinas. Esta diferencia de potencial inducida
es directamente proporcional a la amplitud de la corriente aplicada
a la bobina de excitación 12 y a la frecuencia excitadora.
La placa de apantallamiento 18, que actúa como
elemento conductivo, está situada dentro del campo magnético
generado por la bobina de excitación 12. Como consecuencia, en la
placa de apantallamiento 18 se generan corrientes parásitas y, por
consiguiente, se genera un campo magnético que se opone al campo
magnético generado por la bobina de excitación 12. La superposición
de estos campos implica que los campos magnéticos que afectan a las
dos bobinas sensoras 14 y 16 se reducen cuando la placa de
apantallamiento 18 está en la proximidad de las mismas. Por tanto,
el posicionamiento exacto de la placa de apantallamiento 18 crea
una influencia predecible sobre la diferencia de potencial generada
en las dos bobinas sensoras 14 y 16, siendo menor la tensión
inducida a través de la bobina cuanto mayor sea la cobertura de la
bobina. Un análisis de las diferencias de potencial generadas por
las bobinas sensoras da una determinación de la posición de la
placa de apantallamiento 18, y por tanto del botón de mando 22.
La fuente 26 de corriente oscilatoria comprende
preferentemente un inversor CMOS de bajo coste. El reloj oscilador
podría tener una frecuencia de 4,8 ó 12 MHz, u otra frecuencia.
Esta tensión alterna se aplica a la bobina de excitación 12 como
corriente excitadora a través de una resistencia limitadora de la
corriente de salida (no mostrada).
Cada una de las diferencias de potencial de las
bobinas sensoras 14 y 16 es transformada en una tensión de
corriente continua, por medio de un detector de amplitud sencillo
que comprende un diodo Schottky, dos resistencias y dos
condensadores, que puede ser hecha pasar a la puerta
analógica/digital del microcontrolador 30. Si la amplitud de las
señales generadas por las bobinas sensoras 14 y 16 fuese demasiado
baja, tal vez debido a un área pequeña, puede amplificarse mediante
un amplificador operacional de bajo coste.
Ahora se describirá el análisis de cálculo
necesario para determinar la posición de ajuste del sensor 10.
Definiendo las señales de corriente continua
generadas a través de las bobinas sensoras 14 y 16 como U1 y U2
respectivamente, se calcula una medida I de señal inducida
relativa, siendo I = U1 / U2. También se calcula una medida de
inducción total G, siendo G = U1 + U2.
Los valores de I y G se usan para determinar la
posición de la placa de apantallamiento 18 comparándolos con datos
almacenados en una tabla de consulta. Si bien la señal relativa I
proporciona en general un buen criterio para determinar la posición
relativa de la placa de apantallamiento 18, puede resultar ambiguo.
Por ejemplo, cuando la placa de apantallamiento está en la posición
más alta, mostrada en la figura 3, las señales U1 y U2 resultan
aproximadamente iguales. También se producirá este caso cuando la
placa esté en la posición más baja. Dado que I es la misma en ambos
casos, la posición de la placa de apantallamiento no puede
determinarse en estas situaciones exclusivamente a partir de I. En
tales situaciones se utiliza la medida de inducción total G para
determinar la posición absoluta.
Debido a que los componentes electrónicos pueden
estar situados muy próximos, la influencia de la temperatura en las
señales detectadas es la misma, de modo que la temperatura tiene
poco o nulo efecto sobre la medida relativa I. Es probable que la
temperatura tenga alguna influencia sobre la medida total G y, por
tanto, ésta se usa únicamente para determinar la posición aproximada
de la placa de apantallamiento (si está en los cuadrantes II/III o
I/IV de la figura 3). Para esta finalidad, cualquier dependencia de
G de la temperatura no influirá en la determinación de la posición
del sensor.
Los efectos de las tolerancias de fabricación de
la placa de apantallamiento 18 y de las bobinas 12, 14 y 16, y
particularmente de los componentes electrónicos asociados, se
tienen en cuenta en una calibración inicial en la que I y G se
calculan con el sensor puesto en la posición cero. Esta calibración
puede llevarse a cabo de modo automático.
En una realización preferente, el sensor de
posición 10 está preparado para tener veinticuatro posiciones de
ajuste, distribuidas por igual en torno a la circunferencia de la
bobina de excitación 12. Si se desea, al husillo 20 puede fijarse
una rueda con muescas para dar una indicación táctil de esas
posiciones. El número de posiciones de ajuste está limitado por la
sensibilidad de los componentes electrónicos y por la capacidad de
proceso del microcontrolador. Si posteriormente se desease aumentar
del número de posiciones, podría actualizarse el programa
almacenado en el microcontrolador o sustituirse el microcontrolador
insertado, y cambiarse la rueda con muescas si procediera.
Aunque la realización preferente incorpora dos
bobinas sensoras, el número de bobinas sensoras podría ser mayor
que esa cifra. Para tales disposiciones, podrían usarse las razones
de las señales inducidas de bobinas adyacentes para determinar la
posición de la placa de apantallamiento y la posición de la placa
de apantallamiento puede determinarse sin ambigüedad merced a tales
mediciones de razones. Cuando sea deseable, dentro del sensor de
posición puede incorporarse un interruptor separado de
encendido/apagado, accionado mediante el botón de mando 22, para
proporcionar una desconexión imperativa. Un interruptor adecuado
para tal propósito podría ser un interruptor D4, disponible de
Cherry GmbH.
En el caso en que varios sensores de posición se
agrupen juntos en una sola unidad, las bobinas sensoras pueden
multiplexarse hacia los dos detectores de cresta, reduciéndose así
el coste total. Si hubiera más de una unidad, en tal caso las
bobinas excitadoras pueden conectarse en serie.
El sensor de posición de la presente invención es
adecuado para su incorporación en cuadros de mandos para cocinas,
por ejemplo, para controlar el ajuste de un elemento de hornillo
eléctrico u otras máquinas domésticas. La independencia de la
temperatura y la ausencia de sensibilidad a la humedad son
particularmente ventajosas en esta aplicación. Serían adecuadas
aplicaciones relacionadas con la industria del automóvil, siendo
relevante en este caso la insensibilidad respecto al entorno
circundante.
Aunque el sensor de posición se ha descrito con
referencia a un sensor giratorio, los principios de funcionamiento
son extensibles a sensores de posición lineales, por ejemplo mandos
deslizables. Para una aplicación de este tipo, una bobina
excitadora rectangular de longitud l y dos bobinas
rectangulares adyacentes de longitud l/2 funcionarían en
asociación con una placa apantalladora de longitud l/2.
El sensor de posición descrito es estable, lo que
significa que incluso después de una interrupción de la corriente
eléctrica, puede determinarse la posición del interruptor, sin
efectuar la determinación de la posición del interruptor mediante
comprobación de cambios progresivos de la posición. Los sensores
por lo general son insensibles a la temperatura y resistentes a la
humedad, y debido a la baja resistencia de las bobinas no son
sensibles a influencias electromagnéticas por corrientes parásitas.
Además, tales sensores tienen características de interferencia
electromagnética muy bajas.
Claims (6)
1. Un sensor de posición (10) para determinar una
posición de ajuste del mismo, que comprende:
- un generador (12, 24, 26) de campo magnético variable en el tiempo;
- un elemento eléctricamente conductivo (18) situado de modo que dicho campo magnético variable en el tiempo genera corrientes parásitas en el mismo;
- al menos dos captadores (14, 16) para generar una señal (U1, U2) de respuesta a dicho campo magnético variable en el tiempo; y
- un procesador de señal (30) preparado para recibir, de dichos al menos dos captadores (14, 16) en combinación, dichas señales (U1, U2) y determinar la posición de ajuste del sensor de posición (10),
en el que el elemento conductivo (18) es móvil
respecto a los, al menos, dos captadores (14, 16) de modo que las
señales (U1, U2) generadas por dichos captadores (14, 16) tienen una
magnitud que depende de la posición de dicho elemento conductivo
(18), correspondiendo la posición del elemento conductivo (18) a la
posición de ajuste del sensor (10),
y en el que el generador (12, 24, 26) del campo
magnético variable en el tiempo comprende un bucle conductivo de
excitación (12) y una fuente (26) de corriente alterna para hacer
circular una corriente alterna por dicho bucle de excitación (12),
y en el que dichos al menos dos captadores (14, 16) tienen la forma
de dos bucles sensores (14, 16), estando dicho sensor de posición
(10) caracterizado porque cada bucle sensor (14, 16) está
situado dentro de un área proyectada de dicho bucle de excitación
(12), de modo que los dos bucles sensores (14, 16) mencionados
tengan un área proyectada combinada que sea menor que el área
proyectada de dicho bucle de excitación (12).
2. Un sensor de posición (10) según la
reivindicación 1, caracterizado porque el bucle de
excitación (12) es de contorno substancialmente circular y en el
que cada uno de los dos bucles sensores (14, 16) tiene un área
proyectada con la forma de un sector de círculo y el elemento
conductivo (18) puede ser hecho girar respecto a los dos bucles
sensores (14, 16).
3. Un sensor de posición (10) según la
reivindicación 2, caracterizado porque el área proyectada de
los dos bucles sensores (14, 16) mencionados es substancialmente
igual a dos tercios del área proyectada de dicho bucle de
excitación (12) y dicho elemento conductivo (18) tiene una
superficie que tiene la forma de un sector de círculo,
substancialmente igual al área proyectada de un bucle sensor
(14).
4. Un sensor de posición (10) según cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque el
procesador de señal (30) calcula la suma y el cociente de las
señales de captación (U1, U2) para determinar una posición no
ambigua del sensor.
5. Un sensor de posición (10) según cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque una
pluralidad de sensores de posición (10) se multiplexa hacia un
procesador único de señal (30).
6. Un sensor de posición (10) según cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque el sensor
(10) incorpora un interruptor de aislamiento.
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