ES2314880T3 - Procedimiento y dispositivo para la determinacion, sin contacto, del angulo de giro de un elemento rotatorio. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (10) para la determinación, sin contacto, del ángulo de giro de un elemento rotatorio (12), con, al menos un elemento sensor magnetoresistivo (14), que indica la, al menos primera, señal (SM,1, SM,2) para la determinación de un ángulo de giro (Zeta) del elemento rotatorio (12) en una primera área (A), caracterizado porque, dependiendo del movimiento de giro, se mueven, relativamente entre sí, un árbol (20, 36) un núcleo móvil (30) y una bobina (31) en dirección axial (R) del árbol (20), asimismo, la bobina (31) emite otra señal (S C) sobre la modificación de la inductancia de la bobina (L), de modo que, en combinación con la primera señal (S M,1, S M,2) se pueden registrar, de modo inequívoco, los ángulos de giro (Zeta) más allá de la primera área (A).
Description
Procedimiento y dispositivo para la
determinación, sin contacto, del ángulo de giro de un elemento
rotatorio.
La invención comprende un dispositivo y un
procedimiento para la determinación, sin contacto, del ángulo de
giro de un elemento rotatorio, del tipo mencionado en las
reivindicaciones independientes.
Por la memoria
DE-A-100 17 061 se conoce una
disposición para la determinación, especialmente, sin contacto, del
ángulo de giro de un elemento rotatorio, en la cual, evaluando
características magnéticamente influenciables de una disposición de
sensor con, al menos, dos elementos sensores, en un circuito de
evaluación se puede detectar una intensidad del campo magnético
generada o influida por el elemento rotatorio y ésta puede ser
utilizada para determinar la posición de giro, asimismo, un elemento
sensor trabaja aprovechando el efecto magnetoresistivo y, al menos
otros dos elementos sensores, aprovechando el efecto de Hall;
asimismo, el circuito de evaluación sirve para el enlace lógico de
las tres señales del sensor obtenidas de ese modo.
Por la memoria
JP-A-2004085482 se conoce, además,
un dispositivo para detectar ángulos de giro a través de más de una
rotación de un vástago rotatorio, que comprende un primer elemento
para la determinación del ángulo, un elemento de conversión para
convertir un movimiento rotatorio en un movimiento longitudinal, así
como otro elemento para detectar una posición lineal del vástago
rotatorio mediante una medición de distancia.
A diferencia del estado de la técnica, el
dispositivo acorde a la invención y el procedimiento acorde a la
invención para la determinación, sin contacto, del ángulo de giro de
un elemento rotatorio, presentan la ventaja de que, como
consecuencia de una resolución elevada, se pueden detectar, es
decir, determinar, con una precisión muy elevada, los ángulos de
giro inequívocos, a través de múltiples rotaciones del elemento
rotatorio, así como una elevada propensión a fallos. Para ello, el
dispositivo acorde a la invención comprende, además de, al menos,
un elemento sensor magnetoresistivo que emite, en una primera área,
al menos, una señal magnetoresistiva del sensor para la
determinación de un ángulo de giro del elemento rotatorio, un núcleo
móvil y una bobina, que, dependiendo del movimientos de giro de un
árbol se desplazan entre sí en dirección axial del árbol, asimismo,
la bobina emite una señal de bobina sobre la modificación de la
inductancia de la bobina, de modo que, en combinación con la señal
magnetoresistiva del sensor, se pueden determinar ángulos de giro
más allá de una primera área. Determinando la inductancia de la
bobina se desprende, además, la ventaja de que los ángulos de giro
inequívocos se almacenan mecánicamente, y, de ese modo, tampoco
significan un problema la modificación mecánica del elemento
rotatorio en el caso de una falta de suministro de energía, dado que
la posición real del núcleo móvil dentro de la bobina está
disponible inmediatamente tras conectar nuevamente el suministro de
energía.
En un acondicionamiento ventajoso está previsto
que la posición del núcleo móvil dentro de la bobina se puede
determinar mediante un círculo de oscilación, cuya frecuencia de
resonancia depende de la inductancia de la bobina. De este modo se
garantiza una determinación del ángulo de giro bastante libre de
fallas, asimismo, la resolución de la posición puede incrementarse
casi libremente dependiendo de la tasa de exploración durante la
medición de la duración de periodo correspondiente a la frecuencia
de resonancia.
En un modo preferido, en el árbol y/o el núcleo
móvil se encuentra una rosca, asimismo, el árbol es un componente
del elemento rotatorio. De ese modo, en el caso de un movimiento de
giro del árbol, el núcleo móvil puede desplazarse en dirección
axial respecto de la bobina. En un acondicionamiento alternativo
también puede estar previsto, sin embargo, que el árbol esté unido
a un elemento rotatorio a través de un engranaje. De este modo es
posible mantener compacta la longitud de construcción del árbol o de
disponer el árbol de modo tal que se obtenga una forma constructiva
de todo el dispositivo, favorable para una posterior colocación.
Otras ventajas de la invención se desprenden de
las características indicadas en las reivindicaciones dependientes,
así como del dibujo y de la siguiente descripción.
A continuación se detalla la invención, a modo
de ejemplo, a partir de las figuras 1 a 4, asimismo, las mismas
referencias en las figuras identifican los mismos componentes con
las mismas indicaciones de funcionamiento.
Se muestra:
Figura 1: Una representación esquemática de un
primer ejemplo de ejecución del dispositivo acorde a la
invención,
Figura 2: Diagramas de una primera señal emitida
por un elemento sensor magnetoresistivo, así como una frecuencia de
resonancia emitida por un círculo de oscilación, dependiendo del
ángulo de giro o de la cantidad de rotaciones de un árbol asignado a
un elemento rotatorio,
Figura 3: Una representación esquemática de un
segundo ejemplo de ejecución del dispositivo acorde a la invención,
y
Figura 4: Una representación esquemática de un
tercer ejemplo de ejecución del dispositivo acorde a la
invención.
En la figura 1 se muestra una representación
esquemática de un primer ejemplo de ejecución del dispositivo
acorde a la invención 10 para la determinación, sin contacto, del
ángulo de giro de un elemento rotatorio 12 con un elemento sensor
magnetoresistivo 14 que emite dos señales S_{M,1} y S_{M,2} para
la determinación de un ángulo de giro \Theta del elemento
rotatorio 12. Para accionar el elemento sensor magnetoresistivo 14
que, en este caso, está configurado como sensor magnetoresistivo
anisótropo (AMR) 15, se utiliza un imán permanente 16 con un polo
norte N y un polo sur S. En lugar del imán permanente 16 con sólo
dos polos cambiantes (par de polos) también es posible,
naturalmente, implementar imanes permanentes con notablemente más
pares de polos. Del mismo modo, también pueden utilizarse otros
elementos sensores magnetoresistivo en lugar del sensor AMR 15. A
continuación se partirá siempre de un sensor AMR 15 a los fines de
una mayor claridad.
Acorde a las figuras 1, 3 y 4, en estos ejemplos
de ejecución, el elemento rotatorio 12 está configurado como un
accionamiento eléctrico de dirección asistida 18, en el cual un
árbol 20 está unido, a través de una unidad de accionamiento 22, por
ejemplo, a un engranaje para la reducción no detallado aquí, y un
árbol de accionamiento 24, con un motor eléctrico 26.
En el primer ejemplo de ejecución acorde a la
figura 1, el árbol 20 es un componente del elemento rotatorio 12.
Mediante el sensor AMR 15 y los imanes permanentes 16 asignados se
pueden detectar, con exactitud y de modo inequívoco, ángulos de
giro 0 en una primera área A de 0º a 180º. A su vez, el sensor AMR
15 emite las señales S_{M,1} y S_{M,2} que discurren en forma
sinusoidal y consinusoidal, dependiendo del ángulo de giro \Theta
acorde a la figura 2a y las conduce a un circuito de evaluación 27.
Del desarrollo de las señales S_{M,1} y S_{M,2} se desprende
que hay una periodicidad de 180º y por ello, ya no puede ser
registrado inequívocamente los ángulos de giro \Theta de más de
180º, utilizando un solo sensor AMR. Para una determinación
inequívoca de los ángulos de giro \Theta fuera de esta primera
área A, es decir, de más de 180º, se requiere entonces otro
dispositivo. Acorde a la invención, en el árbol 20 está previsto,
para ello, una rosca 28 con la cual, dependiendo del movimiento de
giro del árbol 20 se desplaza un núcleo móvil 28 en dirección axial
R del árbol 20 respecto de una bobina 31, dicho núcleo puede
presentar una rosca correspondiente o un perno, tampoco
representado. De modo ventajoso, el núcleo móvil 28 consiste en un
material ferromagnético, como hierro, neodimio, AlNiCo (una aleación
de aluminio-níquel y cobalto) o similares.
Si ahora el árbol 20 efectúa una rotación de
cierto valor, el núcleo móvil 30 se desplaza, debido a la rosca 28
en dirección axial R, dentro de la bobina 31 y provoca una
modificación de la inductancia de la bobina L. Esta modificación es
transmitida mediante otra señal S_{C} al condensador 32 con una
capacidad C que, junto con la inductancia de la bobina L conforma
un círculo de oscilación 34 con la frecuencia de resonancia
f_{R}, asimismo, la inductancia de la bobina L que se modifica
también acarrea una modificación en la frecuencia de resonancia
f_{R}. En lugar de un solo condensador 32 con la capacidad C
también pueden, naturalmente, estar previstos otros elementos
constructivos individuales o múltiples que, unidos con la
inductancia de la bobina L, provocan una frecuencia de resonancia
f_{R}, característica del círculo de oscilación en serie y/o
paralelo. A continuación se partirá, sin embargo, de un círculo de
oscilación LC 34.
En la figura 2b se puede reconocer que la
frecuencia de resonancia f_{R} del círculo de oscilación 34
depende linealmente del ángulo de giro \Theta o del número de
rotaciones U, y por ello, de la profundidad del hundimiento del
núcleo móvil 30 en la bobina 31. Si ahora en el circuito de
evaluación 27 se combinan las señales del sensor S_{M,1} y
S_{M,2} con la información acerca de la frecuencia de resonancia
f_{R} del círculo de oscilación, entonces es posible una
determinación inequívoca del ángulo de giro más allá de la primera
área A y, además, más allá de una rotación completa (multiturn) del
árbol 20. Gracias a esta medida se obtiene, sobre todo, la ventaja
de un almacenamiento mecánico exacto del número de rotaciones U del
árbol 20, como consecuencia de que la inductancia de la bobina L
está disponible inmediatamente tras el encendido del vehículo. Una
modificación mecánica de la dirección del vehículo no significa ya
un problema para la posterior determinación del ángulo de giro,
incluso en el caso de una batería del vehículo desconectada.
En cada rotación completa del árbol 20, se
desplaza el núcleo móvil 30 dentro de la bobina 31 a lo largo de, al
menos, un trayecto axial D.
Para mantener las tolerancias en relación con
una resolución requerida de la posición o del ángulo de giro lo más
reducidas posible, o bien pueden disponerse las vueltas de bobina
estrechamente adyacentes, o bien puede seleccionarse con relativa
longitud el recorrido axial del desplazamiento del núcleo móvil 30
por la rosca 28. Por ello el trayecto axial D depende también de
estos dos parámetros. El trayecto axial D puede hallarse en el área
de unos pocos milímetros en el caso de vueltas de bobina dispuestas
estrechamente adyacentes. Otro incremento de la resolución de la
posición es posible, además, incrementando la tasa de exploración
durante la medición de la duración de periodo correspondiente a la
frecuencia de resonancia f_{R}.
En la figura 3 se muestra un segundo ejemplo de
ejecución del dispositivo acorde a la invención 10 para la
determinación, sin contacto, del ángulo de giro de un elemento
rotatorio 12. A diferencia de lo que ocurre en la figura 1, el
núcleo móvil 30 ya no se encuentra directamente sobre el árbol 20
del elemento rotatorio 12, sino sobre un árbol 36, paralelo al
árbol 20, accionado por un engranaje 38 que consiste en un primer
piñón 40, colocado sobre el árbol 20 y un segundo piñón 42, colocado
sobre el árbol 36. Dado que el funcionamiento del dispositivo
acorde a la invención 10 coincide con el de la figura 1, no se lo
detallará nuevamente. Lo fundamental de este ejemplo de ejecución
es que el espacio de construcción se puede reducir como consecuencia
de un largo menor del árbol 20, en comparación con el primer ejemplo
de ejecución. La relación de conversión del engranaje 38 puede ser
adaptada a los requisitos en cuanto a la resolución del ángulo de
giro \Theta.
Un tercer ejemplo de ejecución del dispositivo
acorde a la invención 10 está representado en la figura 4. A
diferencia de la figura 3, ahora el árbol 36 está unido
verticalmente con el elemento rotatorio 12 a través del engranaje
38 y los piñones 40 y 42 dispuestos correspondientemente en él.
Esta disposición garantiza una forma de construcción aún más corta
del árbol 20 o una eventual adaptación del dispositivo 10 a las
condiciones de espacio dadas. También en este caso el funcionamiento
del dispositivo 10 se corresponde con el acorde a la figura 1, de
modo que se pueden omitir las demás explicaciones.
Cabe mencionar, finalmente, que los ejemplos de
ejecución presentados no se limitan ni a las figuras 1, 3 y 4 ni a
los recorridos de las señales del sensor S_{M,1} y S_{M,2} ni a
la frecuencia de resonancia f_{R} que se desprende de la señal
del sensor S_{C}, acorde a las figuras 2a y 2b. Es posible, sobre
todo, que, dependiendo del círculo de oscilación 34 aplicado, del
material del núcleo móvil 30, de la rosca 28 y/o de la forma de
construcción de la bobina 31 también se presente un comportamiento
no lineal de la frecuencia de resonancia f_{R} a través del
ángulo de giro \Theta o del número de rotaciones U. Además,
también son posibles otras disposiciones entre los árboles 20 y 36
así como del engranaje 38 que los une, según la necesidad en
materia de espacio. En este contexto se debe mencionar que el
engranaje 38 naturalmente debe comprender, no sólo ambos piñones 40
y 42, sino también una mayor cantidad de piñones, poleas para
correas, ruedas abrasivas o similares. Además, es igualmente
posible que no sólo se desplace el núcleo móvil 30 respecto de la
bobina 31 sino también la bobina 31 respecto del núcleo móvil 30,
es decir, que la bobina 31 sea desplazada o bien sola o en
combinación con el núcleo móvil 30 a través de árboles 20 o 36, con
elementos adecuados como piñones, etc. El dispositivo acorde a la
invención y el procedimiento acorde a la invención no se limitan a
una aplicación en relación con un accionamiento eléctrico de
dirección asistida, también pueden utilizarse otros elementos
rotatorios para la determinación del ángulo de giro multiturn.
Claims (12)
1. Dispositivo (10) para la determinación, sin
contacto, del ángulo de giro de un elemento rotatorio (12), con, al
menos un elemento sensor magnetoresistivo (14), que indica la, al
menos primera, señal (S_{M,1}, S_{M,2}) para la determinación de
un ángulo de giro (\Theta) del elemento rotatorio (12) en una
primera área (A), caracterizado porque, dependiendo del
movimiento de giro, se mueven, relativamente entre sí, un árbol (20,
36) un núcleo móvil (30) y una bobina (31) en dirección axial (R)
del árbol (20), asimismo, la bobina (31) emite otra señal (S_{C})
sobre la modificación de la inductancia de la bobina (L), de modo
que, en combinación con la primera señal (S_{M,1}, S_{M,2}) se
pueden registrar, de modo inequívoco, los ángulos de giro (\Theta)
más allá de la primera área (A).
2. Dispositivo (10) acorde a la reivindicación
1, caracterizado porque la posición del núcleo móvil (30)
dentro de la bobina (31) puede ser determinada mediante un círculo
de oscilación (34) cuya frecuencia de resonancia (f_{R}) depende
de la inductancia de la bobina (L).
3. Dispositivo (10) acorde a la reivindicación
1, caracterizado porque el núcleo móvil (30) se desplaza, a
través de una rosca (28) dispuesta en el árbol (20, 36) y/o el
núcleo móvil (30), respecto de la bobina (31).
4. Dispositivo (10) acorde a una de las
reivindicaciones anteriores 1 o 3, caracterizado porque el
árbol (20) es un componente del elemento rotatorio (12).
5. Dispositivo (10) acorde a una de las
reivindicaciones anteriores 1 o 3, caracterizado porque el
árbol (36) está unido a través de un engranaje (38) al elemento
rotatorio (12).
6. Dispositivo (10) acorde a la reivindicación
1, caracterizado porque la primera área (A) comprende ángulos
de giro (\Theta) de 0º a 180º.
7. Dispositivo (10) acorde a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento
rotatorio (12) es un accionamiento electrónico de dirección asistida
(18).
8. Dispositivo (10) acorde a la reivindicación
1, caracterizado porque el elemento sensor magnetoresistivo
(14) es un sensor magnetoresistivo anisótropo (15).
9. Procedimiento para la determinación, sin
contacto, del ángulo de giro de un elemento rotatorio (12),
asimismo, al menos una señal magnetoresistiva de sensor (S_{M,1},
S_{M,2}) es indicada por, al menos, un elemento sensor
magnetoresistivo (14) para la determinación de un ángulo de giro
(\Theta) en una primera área (A), caracterizado porque una
bobina (31) emite una señal de bobina (S_{C}), que describe la
modificación de la inductancia de la bobina (L) en un movimientos de
giro de un árbol (20, 36) como consecuencia de un movimiento
relativo entre un núcleo móvil (30) y la bobina (31) en dirección
axial (R) del árbol (20, 36), asimismo, para la detección
inequívoca de los ángulos de giro (\Theta) más allá de la primera
área (A), se combinan la señal de bobina (S_{C}) y la, al menos
una, señal magnetoresistiva del sensor (S_{M,1}, S_{M,2}).
10. Procedimiento acorde a la reivindicación 9,
caracterizado porque la posición del núcleo móvil (30) dentro
de la bobina (31) puede ser determinada mediante un círculo de
oscilación (34) cuya frecuencia de resonancia (f_{R}) depende de
la inductancia de la bobina (L).
11. Procedimiento acorde a la reivindicación 9,
caracterizado porque el núcleo móvil (30) se desplaza, a
través de una rosca (28) dispuesta en el árbol (20, 36) y/o el
núcleo móvil (30), respecto de la bobina (31).
12. Procedimiento acorde a la reivindicación 9,
caracterizado porque la primera área (A) comprende ángulos de
giro (\Theta) de 0º a 180º.
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