RU2301399C2 - Contact-free pedal position detector - Google Patents
Contact-free pedal position detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2301399C2 RU2301399C2 RU2005113860/28A RU2005113860A RU2301399C2 RU 2301399 C2 RU2301399 C2 RU 2301399C2 RU 2005113860/28 A RU2005113860/28 A RU 2005113860/28A RU 2005113860 A RU2005113860 A RU 2005113860A RU 2301399 C2 RU2301399 C2 RU 2301399C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- magnet
- rotor
- bushing
- stator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть непосредственно использовано в электронных системах управления автомобилем для определения угла нажатия педали акселератора или в других автомобильных системах, требующих получения аналогового, ШИМ- или высокоразрешающего последовательно кодируемого цифрового сигнала абсолютного углового положения вращающегося объекта (вала), например положения выбранной передачи, положения дроссельной заслонки, подвески, клапана системы рециркуляции отработавших газов, а также для бесконтактного детектирования абсолютного углового положения большого числа вращающихся объектов в легкой и тяжелой отраслях промышленности.The present invention relates to automotive electronic instrumentation and can be directly used in electronic vehicle control systems to determine the angle of the accelerator pedal or in other automotive systems requiring an analog, PWM, or high-resolution sequentially encoded digital signal of the absolute angular position of a rotating object (shaft), e.g. gear position, throttle position, suspension, recirculation valve exhaust gases, as well as for non-contact detection of the absolute angular position of a large number of rotating objects in light and heavy industries.
Аналогом заявляемого датчика является датчик положения педали акселератора (United States Patent 4915075 от 10 апреля 1990 года).An analogue of the claimed sensor is an accelerator pedal position sensor (United States Patent 4915075 dated April 10, 1990).
Устройство описывает установленные в педаль потенциометр и плату со схемой формирования ШИМ-сигнала с выходным рабочим циклом, пропорциональным положению педали.The device describes a potentiometer and a board installed in the pedal with a PWM signal generating circuit with an output duty cycle proportional to the position of the pedal.
К недостаткам данного устройства относятся подверженность износу, характерная для потенциометров, малый срок службы, невысокая надежность, чувствительность к вибрации и пыли, недостаточные интерфейсные возможности (только ШИМ-выход).The disadvantages of this device include the susceptibility to wear that is characteristic of potentiometers, short service life, low reliability, sensitivity to vibration and dust, insufficient interface capabilities (only PWM output).
Прототипом заявляемого устройства является датчик положения педали с магнитом, движущимся относительно датчика магнитного поля, локализованного в статорном канале (United States Patents 6577119 от 10 июня 2003 года.).The prototype of the claimed device is a pedal position sensor with a magnet moving relative to a magnetic field sensor located in the stator channel (United States Patents 6577119 dated June 10, 2003.).
Устройство описывает бесконтактный датчик положения, в котором статор имеет поверхность, включающую две области магнитного материала с магнитными разделителями из главного и дочернего каналов, магнит механически связан с ножной педалью акселератора, относительное движение которой вдоль одного или двух датчиков Холла в статорном канале вызывает образование электрического сигнала, пропорционального перемещению магнита, и обрабатывается в интегрированных схемах датчиков или одной или двумя внешними ASIC (Application Specific Integrated Circuit) с возможностями программирования, например, в EEPROM, линеаризации и температурной компенсации, а также формирования сигнала для передачи по последовательному протоколу, например, по шине CAN.The device describes a non-contact position sensor in which the stator has a surface including two regions of magnetic material with magnetic separators from the main and daughter channels, the magnet is mechanically connected to the accelerator foot pedal, the relative movement of which along one or two Hall sensors in the stator channel causes the formation of an electrical signal proportional to the movement of the magnet, and is processed in integrated sensor circuits or one or two external ASICs (Application Specific Integrated Circuit) with the possible The rest of programming, for example, in EEPROM, linearization and temperature compensation, as well as the formation of a signal for transmission over a serial protocol, for example, via the CAN bus.
Недостатком данного устройства является сложность описываемой магнитной системы, необходимость применения двух датчиков Холла для повышения точности измерений, одной или двух внешних интерфейсных ASIC, так как большинство стандартных интегральных датчиков Холла имеет ограниченные интерфейсные возможности (как правило, только аналоговый выход).The disadvantage of this device is the complexity of the described magnetic system, the need to use two Hall sensors to improve measurement accuracy, one or two external interface ASICs, since most standard integrated Hall sensors have limited interface capabilities (usually only an analog output).
Задачи изобретения - повышение точности и повторяемости измерений, увеличение чувствительности, расширение функционального диапазона измеряемого угла, улучшение абсолютных и относительных показателей линейности сигнала абсолютного положения (линейности аналогового сигнала или дрейфа скважности ШИМ-сигнала), повышение надежности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе расширение интерфейсных возможностей, упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа.The objectives of the invention are improving the accuracy and repeatability of measurements, increasing sensitivity, expanding the functional range of the measured angle, improving the absolute and relative linearity indicators of the absolute position signal (linearity of the analog signal or PWM signal duty cycle drift), improving reliability, developing adaptive features to specific operating conditions, including expanding interface capabilities, simplifying the design of the device and the technology of its assembly and installation.
Поставленные задачи решаются тем, что в бесконтактном датчике положения педали с магнитом, движущимся относительно неподвижного статора с датчиком магнитного поля, статор представляет собой программируемую интегральную схему двухосевого углового энкодера с интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов Холла для детектирования относительного изменения магнитного поля диаметрально намагниченного магнита, параллельного лицевой поверхности интегральной схемы, запаиваемой способом поверхностного монтажа на печатной плате с интерфейсными компонентами схемы датчика, диаметрально намагниченный магнит ротора, образующий рабочее параллельное магнитное поле, для выравнивания в процессе сборки жестко установлен во втулке с пазами под отвертку, жестко устанавливаемой по результатам выравнивания магнита в установочной втулке ротора с выполненной в ней ориентирующей лыской или ориентирующим пазом для установки с заданной начальной ориентацией и имеющей возможность поворота в корпусе на угол, ограниченный на крайних положениях упорами в основании корпуса и выступами установочной втулки ротора, для механической изоляции статора от движущихся механических частей и ограничения осевых перемещений ротора в датчике содержится крышка-ограничитель, жестко фиксируемая в корпусе поверх ротора, выходной разъем датчика содержит только функциональные выводы, используемые в процессе эксплуатации датчика после его программирования, а технологические выводы, используемые только в процессе однократного программирования, удаляются с платы датчика перед окончательной установкой крышки.The tasks are solved in that in a non-contact pedal position sensor with a magnet moving relative to a fixed stator with a magnetic field sensor, the stator is a programmable integrated circuit of a biaxial angular encoder with an integrated cross-shaped array of Hall sensitive elements for detecting the relative change in the magnetic field of a diametrically magnetized magnet parallel front surface of an integrated circuit sealed by surface mounting on a furnace a circuit board with interface components of the sensor circuit, a diametrically magnetized rotor magnet forming a working parallel magnetic field, for alignment during assembly, is rigidly mounted in a sleeve with grooves for a screwdriver, rigidly installed according to the results of alignment of the magnet in the mounting sleeve of the rotor with an alignment flange or orienting groove for installation with a given initial orientation and having the ability to rotate in the housing at an angle limited at extreme positions by stops in the base to the housing and protrusions of the rotor mounting sleeve, for mechanical isolation of the stator from moving mechanical parts and limiting the axial movements of the rotor, the sensor contains a limiter cap, which is rigidly fixed in the housing on top of the rotor, the output connector of the sensor contains only the functional conclusions used during operation of the sensor after programming it , and the technological conclusions used only in the process of one-time programming are deleted from the sensor board before the final installation of the cover.
Схема углового энкодера допускает программирование после сборки датчика параметров его выходных характеристик, в том числе выходного формата, нулевого положения, детектирование горизонтальных смещений магнита и его перемещений в вертикальной оси.The angular encoder circuit allows programming after assembly of the sensor parameters of its output characteristics, including the output format, zero position, detection of horizontal displacements of the magnet and its movements in the vertical axis.
Общая схема устройства, расположенная на плате датчика, содержит схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода.The general circuit of the device, located on the sensor board, contains circuits for protection against reverse voltage, overvoltage, output short circuit, impulse noise along the power supply and output circuits.
Бесконтактный датчик положения педали показан на фиг.1-11.The proximity sensor of the pedal position is shown in figures 1-11.
На фиг.1 показаны проекционные виды и общий аксонометрический вид устройства, на фиг.2 показан вид датчика в разрезе, иллюстрирующий принцип действия устройства, на фиг.3 показан вид устройства с ограничителем осевых перемещений без верхней крышки, на фиг.4 показан вид устройства, показывающий механические ограничители измеряемого угла, на фиг.5 и 6 даны иллюстрация принципа действия и изображения рабочих характеристик, на фиг.7 приведен пример электрической принципиальной схемы устройства с ИС AS5040 Austriamicrosystems, на фиг.8, 9 показаны типы поддерживаемых интерфейсов - последовательного SSI (фиг.8) и ШИМ (фиг.9), на фиг.10 и 11 показаны этапы программирования датчика - этап записи данных (фиг.10) и режим однократного программирования (фиг.11).Figure 1 shows the projection views and a general axonometric view of the device, figure 2 shows a sectional view of a sensor illustrating the principle of operation of the device, figure 3 shows a view of a device with an axial displacement limiter without a top cover, figure 4 shows a view of a device , showing the mechanical limiters of the measured angle, Figs. 5 and 6 illustrate the principle of operation and the performance image, Fig. 7 shows an example of an electrical circuit diagram of an AS5040 Austriamicrosystems IC device, Figs. 8, 9 show support types interfaces, serial SSI (Fig. 8) and PWM (Fig. 9), Figs. 10 and 11 show the steps of programming the sensor - the step of recording data (Fig. 10) and a single programming mode (Fig. 11).
В табл.1 и 2 приведены технические характеристики других подходящих для описанной выше конструкции известных интегральных компонентов в качестве альтернативной замены.Tables 1 and 2 show the technical characteristics of other known integrated components suitable for the above construction as an alternative replacement.
Датчик положения педали, показанный на фиг.1-11, реализует рабочий режим с вращением дипольного магнита в ограниченном угловом диапазоне φ=88° (может быть задан любой угол до 360°) и сканирует двумерное распределение магнитного поля с образованием однопроводного ШИМ-сигнала (для совместимости с большинством существующих обрабатывающих блоков) и последовательного SSI-канала передачи данных.The pedal position sensor shown in Figs. 1-11 implements an operating mode with rotation of the dipole magnet in a limited angular range φ = 88 ° (any angle up to 360 ° can be set) and scans the two-dimensional distribution of the magnetic field with the formation of a single-wire PWM signal ( for compatibility with most existing processing units) and a serial SSI data channel.
Датчик положения педали, показанный на фиг.1-4, состоит из неподвижного корпуса 1, вращающейся установочной втулки 2 с диаметрально намагниченным постоянным магнитом 3, запрессованным в пластмассовую втулку 4, крышки-ограничителя 5 осевых биений ротора, печатной платы 6, интегральной схемы (ИС) двухосевого углового энкодера с интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов Холла 7, контактов разъема 8 и крышки 9.The pedal position sensor shown in Figs. 1-4 consists of a
Основные элементы статора датчика включают корпус 1 и интегральный компонент датчика - ИС 7 (а также все остальные элементы, не входящие в состав ротора, относятся к статору), ротор (подвижная часть датчика) состоит из установочной втулки 2, диаметрально намагниченного постоянного магнита 3, запрессованного во втулку 4.The main elements of the stator of the sensor include the
Установочная втулка 2 ротора механически связана с вращающимся валом детектируемого объекта (цели) и имеет возможность поворота на ограниченный угол φ в основании корпуса 1. С обратной стороны втулки 2 имеется лыска для установки устройства на вал с заданной начальной ориентацией. Корпус 1 жестко крепится двумя винтами к неподвижной части объекта.The
Корпус 1 выполняется в сборке с контактами разъема 8 (по технологии обливки или запрессовки). Интегральный датчик 7 устанавливается на плате 6 и запаивается. Плата 6 устанавливается в корпусе 1 поверх упорных штырей днища корпуса 1, верхняя часть которых оплавляется. Предпочтительная механическая ориентация ИС датчика 7 относительно магнита 3 обеспечивается конструктивно. Контакты 8 запаиваются на плате 6.The
Для механического ограничения осевых перемещений ротора (установочной втулки 2 с магнитом 3 во втулке 4) относительно корпуса 1 в датчике применяется крышка-ограничитель 5 осевых биений ротора, фиксируемая поверх ротора в корпусе 1 винтами 10. Угол φ механически ограничивается упорами 11 в основании корпуса 1 и выступами 12 установочной втулки 2.To mechanically limit the axial movements of the rotor (mounting
Большинство новых модулей педали акселератора снабжаются парой внешних пружин на педальном приводе модуля, на встраивание в который рассчитан датчик. Поскольку предполагается внешнее ограничение крутящего момента, в конструкции датчика, показанного на фиг.1-4, не задействована пружина кручения. Введение цилиндрической или конической возвратной пружины в датчик будет желательным, например, при преобразовании заявленного устройства в датчик положения дроссельной заслонки или подвески. Пружина кручения применяется для противодействия вращательному движению вала управляющего привода и осуществления возвратного движения против часовой стрелки; это одна из возможностей для повышения надежности и усиления адаптивности устройства к конкретным условиям работы.Most of the new accelerator pedal modules are equipped with a pair of external springs on the pedal drive of the module for incorporation into which the sensor is designed. Since external torque limitation is assumed, the torsion spring is not involved in the design of the sensor shown in FIGS. The introduction of a cylindrical or conical return spring into the sensor will be desirable, for example, when converting the claimed device into a throttle or suspension position sensor. The torsion spring is used to counteract the rotational movement of the shaft of the control drive and to perform a counterclockwise return movement; This is one of the opportunities to increase reliability and enhance the adaptability of the device to specific working conditions.
Постоянный магнит 3 жестко устанавливается (запрессовывается и вклеивается) во втулку 4. Втулка 4 снабжается пазом под отвертку, что обеспечивает несколько полезных признаков конструкции:The
1) возможность предварительной ориентации нулевой плоскости симметрии магнита по пазу для отвертки непосредственно перед его жесткой установкой (по результатам измерений магнитного поля, например, тесламетром (гауссметром), калиброванной линейной ИС Холла или с помощью специальных аппаратно-программных средств);1) the possibility of preliminary orientation of the zero plane of symmetry of the magnet along the groove for the screwdriver immediately before its rigid installation (according to the results of magnetic field measurements, for example, with a teslameter (gaussmeter), a calibrated linear Hall IC or using special hardware and software tools);
2) возможность выравнивания нулевого положения магнита в процессе сборки;2) the ability to align the zero position of the magnet during the assembly process;
3) увеличение рабочей зоны выравнивания с малым магнитом (позволяет увеличивать паз под отвертку в крышке-ограничителе);3) increase the working area of the alignment with a small magnet (allows you to increase the groove for a screwdriver in the cap-stop);
4) допускается использование меньших рабочих зазоров между магнитом и ИС.4) it is allowed to use smaller working gaps between the magnet and the IC.
Начальное размещение магнита 3 в конструкции не является важным: нулевое значение магнитной индукции поля и электрический нуль характеристики могут иметь различное взаиморасположение относительно остальных компонентов сборки статора в отличие от классических датчиков Холла перпендикулярных полей. За нулевое может быть принято любое механическое положение магнита, информация о котором считается в ОТР-регистр с SSI-канала. Например, в конструкции на фиг.1-4 нулевой магнитный вектор перпендикулярен вектору отсчета механического угла (принцип действия датчика показан на фиг.5 и 6).The initial placement of
Для программирования нулевого положения магнит должен находиться в нулевом механическом и электрическом положении системы, но фактическая ориентация нулевой плоскости магнитной симметрии в корпусе датчика и относительно ИС не будет влиять на функциональность датчика. После того как сборка закончена, механическое и электрическое положения могут быть согласованы посредством программного обеспечения. Данное нулевое положение прочитывается через SSI-интерфейс AS5040 и назначается как новое нулевое положение, которое может быть запрограммировано в ОТР-регистр.To program the zero position, the magnet must be in the zero mechanical and electrical position of the system, but the actual orientation of the zero plane of magnetic symmetry in the sensor housing and relative to the IC will not affect the functionality of the sensor. After the assembly is completed, the mechanical and electrical positions can be negotiated through software. This zero position is read through the AS5040 SSI interface and assigned as a new zero position, which can be programmed into the OTP register.
Хотя магнит и не нуждается в тщательной ручной регулировке нулевой магнитной плоскости относительно компонентов статора для программирования нулевого положения, регулировка целесообразна для подтверждения идентичности характеристик серийно выпускаемых изделий. Выравнивание магнита 3 относительно ИС датчика 7 в заявленном устройстве обеспечивается в процессе сборки - до этапа программирования, по результатам выравнивания магнит 3 в корпусе 4 заклеивается в установочной втулке 2.Although the magnet does not require careful manual adjustment of the zero magnetic plane relative to the components of the stator to program the zero position, the adjustment is advisable to confirm the identity of the characteristics of commercially available products. The alignment of the
6-контактный разъем датчика с AS5040, принципиальная электрическая схема которого показана на фиг.7, предназначен для формирования SSI и ШИМ-каналов передачи данных, показанных на фиг.8, 9. Выводы MagINCn, MagDECn и PROG являются технологическими и используются только в процессе программирования, этапы которого показаны на фиг.10 и 11. После записи данных в ОТР-регистр, непосредственно перед установкой крышки 9, проводные выводы и технологические перемычки удаляются с платы 6.The 6-pin sensor connector with AS5040, the circuit diagram of which is shown in Fig. 7, is designed to form the SSI and PWM data channels shown in Figs. 8, 9. The conclusions of MagINCn, MagDECn and PROG are technological and are used only in the process programming, the steps of which are shown in figures 10 and 11. After writing the data to the OTP register, immediately before installing the
После включения программирование AS5040 допускается нарастающим фронтом импульса CSn, при высоком уровне на входе Prog. 16-битная конфигурация данных должна быть последовательно записана в ОТР-регистр через вывод Prog. Последовательность битов включает: первый - бит направления вращения CCW, 10 битов данных о нулевом положении магнита (первым идет наиболее значащий бит MSB) и настройки инкрементального режима. (Indx - выбор ширины индексного импульса, Div1, Div0 - установка разрешения, Md1, Md0 - выбор инкрементального режима).After switching on, programming of the AS5040 is allowed by the rising edge of the CSn pulse, with a high level at the Prog input. The 16-bit data configuration must be sequentially written to the OTP register via the Prog pin. The bit sequence includes: the first is the CCW rotation direction bit, 10 bits of magnet position information (the most significant MSB bit is the first) and incremental mode settings. (Indx - selects the width of the index pulse, Div1, Div0 - sets the resolution, Md1, Md0 - selects the incremental mode).
Данные действительны на нарастающем фронте тактового импульса CLK. После записи данных в ОТР-регистр данные могут быть защелкнуты нарастающим фронтом импульса на выводе Prog напряжения программирования UZapp.16 импульсов CLK tzapp должны быть переданы для безопасности. Запрограммированные данные вступают в силу при следующем включении.Data is valid on the rising edge of the CLK clock. After writing data to the OTP register, the data can be latched by the rising edge of the pulse at the output Prog of the
Режим выравнивания, осуществляемый до программирования AS5040, предназначен для центрирования магнита относительно ИС с массивом измерительных элементов с целью достижения максимальной точности, когда ось вращения цилиндрического дипольного магнита центрирована и является точкой отсчета полярной системы координат для определения угла φ поворота легкой оси (фиг.5). Режим выравнивания в AS5040 разрешается на падающем фронте импульсного вывода CSn при состоянии высокого уровня на выводе PROG. Биты данных D9-D0 SSI изменяются на 10-битное значение выхода амплитуды смещения. Магнит выровнен, когда это значение является менее 32 на всех углах поворота рабочего углового диапазона (до 360°). Чем больше полученное значение, тем дальше находится магнит от его предпочтительного положения на конкретном угле поворота.The alignment mode, carried out before programming AS5040, is designed to center the magnet relative to the IC with an array of measuring elements in order to achieve maximum accuracy when the axis of rotation of the cylindrical dipole magnet is centered and is the reference point of the polar coordinate system to determine the angle φ of rotation of the easy axis (figure 5) . The alignment mode in the AS5040 is enabled on the falling edge of the pulse output CSn in the high level state on the PROG pin. The D9-D0 SSI data bits are changed to a 10-bit offset amplitude output value. The magnet is aligned when this value is less than 32 at all angles of rotation of the working angular range (up to 360 °). The larger the value obtained, the farther the magnet is from its preferred position at a particular angle of rotation.
В режиме выравнивания выводы AS5040 MagINCn и MagDECn индицируют логическую единицу при значении амплитуды смещения менее 32. Выравниванию магнита соответствует состояние выводов MagINCn=MagDECn=1 в диапазоне вращения магнита 360°. В нормальный режим работы AS5040 возвращается при повторной инициализации.In the alignment mode, the AS5040 pins MagINCn and MagDECn indicate a logical unit with a bias amplitude of less than 32. Magnet alignment corresponds to the state of the pins MagINCn = MagDECn = 1 in the 360 ° rotation range of the magnet. The AS5040 returns to normal operation upon reinitialization.
10-битный программируемый магнитный угловой энкодер AS5040 является наиболее предпочтительным вариантом из существующей элементной базы двухосевых угловых энкодеров, текущее состояние которой отражено в табл.1, так как кроме максимальных функциональных возможностей и наиболее высокого разрешения в AS5040 поддерживается возможность однократного программирования пользователем параметров выходных характеристик датчика непосредственно в рабочих условиях.The AS5040 10-bit programmable magnetic angle encoder is the most preferable option from the existing element base of the two-axis angle encoders, the current state of which is shown in Table 1, since in addition to the maximum functionality and the highest resolution, the AS5040 supports the possibility of a user programming the parameters of the sensor output characteristics once directly in the working environment.
АМ256 и АМ512 рассчитаны на программирование только в заводских условиях: выходные параметры оптимизируются для достижения минимального смещения (точности). Возможности пользователя в осуществлении режима выравнивания с АМ256 реализуются через специальный сигнал ошибки: синусоидальной формы, с периодом за оборот, при этом амплитуда сигнала ошибки пропорциональна перемещению ИС. Для оптимальной установки амплитуда этого сигнала должна быть минимизирована.AM256 and AM512 are designed for programming only in the factory: the output parameters are optimized to achieve a minimum bias (accuracy). The capabilities of the user in the implementation of the alignment mode with AM256 are realized through a special error signal: a sinusoidal shape, with a period per revolution, while the amplitude of the error signal is proportional to the movement of the IC. For optimal installation, the amplitude of this signal should be minimized.
В качестве альтернативы данному устройству в комбинации с вращающимся дипольным магнитом также могут применяться любые датчики параллельных полей с внешней интерфейсной ASIC - интерполятором или АЦП, приведенные в табл.2, за небольшим исключением для ISA-IV, которых для решения аналогичной задачи потребуется два, в ортогональном варианте их размещения на поверхности платы. Датчики, приведенные в табл.2, не рекомендуются к использованию в заявленном устройстве, но приводятся для иллюстрации потенциальных технологических вариантов.As an alternative to this device, in combination with a rotating dipole magnet, any parallel field sensors with an external ASIC interface — an interpolator or ADC, shown in Table 2, can also be used, with a small exception for ISA-IV, which will require two to solve a similar problem, in orthogonal version of their placement on the surface of the board. The sensors shown in table 2 are not recommended for use in the claimed device, but are given to illustrate potential technological options.
В интегральных датчиках параллельного магнитного поля на основе эффекта Холла возможны три технологических варианта:In the integrated sensors of a parallel magnetic field based on the Hall effect, three technological options are possible:
1) технология интегрированных магнитоконцентрирующих (ферромагнитных) концентраторов (ИМК);1) technology of integrated magnetoconcentrating (ferromagnetic) concentrators (IMC);
2) технология вертикальных элементов Холла;2) technology of vertical Hall elements;
3) технология планарных элементов Холла, объединенных в массив.3) technology of planar Hall elements combined into an array.
Все технологии параллельного поля, по существу, измеряют перпендикулярное поле, что является необходимым условием достижения эффекта Холла, но в первых двух случаях для его получения используются специальные приемы: активное преобразование поля в ортогональное с ИМК или адаптивное считывание (элементы Холла перпендикулярны поверхности датчика и на самом деле измеряют не параллельное, а перпендикулярное поле).All parallel field technologies essentially measure the perpendicular field, which is a prerequisite for achieving the Hall effect, but in the first two cases special methods are used to obtain it: active conversion of the field to orthogonal with IMC or adaptive reading (Hall elements are perpendicular to the sensor surface and in fact, they measure not a parallel, but a perpendicular field).
Все технологии подходят для двухосевых аналоговых измерений (с образованием ортогональных синусных и косинусных сигналов) и дополнительно обеспечивают получение информации о направлении магнитного поля при его периодическом изменении, но на момент подачи заявки полностью интегральные решения датчиков - ИС энкодеров (табл.1) - реализованы только на основе технологии планарных элементов Холла.All technologies are suitable for biaxial analog measurements (with the formation of orthogonal sine and cosine signals) and additionally provide information on the direction of the magnetic field during its periodic change, but at the time of filing the application, fully integrated sensor solutions - encoder ICs (Table 1) - were implemented only Based on Hall planar technology.
Специальное внимание уделяется вопросу выбора магнитов: магниты должны быть цилиндрической формы, диаметрально намагниченные. Austriamicrosystems рекомендует использовать с AS5040 магнит ⌀6×3 (предпочтительно) из магнитных материалов любого из следующих типов: AINiCo, SmCo5 или NdFeB. Магнитное поле, перпендикулярное поверхности сенсорного массива, в радиусе 1,1 мм должно составлять ±45...75 мТл, и его выход за эти пределы индицируется на выходах MagINCn и MagDECn. С магнитом ⌀6×3 рекомендуемое рабочее магнитное поле достигается на расстоянии 0,5...1,5 мм до поверхности ИС (плюс 0,576 мм до поверхности чувствительного массива).Special attention is paid to the choice of magnets: magnets should be cylindrical in shape, diametrically magnetized. Austriamicrosystems recommends using a ⌀6 × 3 (preferably) magnet of any of the following types of magnet with AS5040: AINiCo, SmCo 5 or NdFeB. The magnetic field perpendicular to the surface of the sensor array within a radius of 1.1 mm should be ± 45 ... 75 mT, and its going beyond these limits is indicated at the outputs of MagINCn and MagDECn. With a ⌀6 × 3 magnet, the recommended working magnetic field is achieved at a distance of 0.5 ... 1.5 mm to the surface of the IC (plus 0.576 mm to the surface of the sensitive array).
Для ИС серии 502х в корпусах SOIC-8 рекомендованы магниты ⌀3...6×2...3 мм, для использования с тем же рабочим расстоянием 0,5...1,5 мм.503 ... 6 × 2 ... 3 mm magnets are recommended for 502x series ICs in SOIC-8 enclosures, for use with the same working distance of 0.5 ... 1.5 mm.
Для программируемых в заводских условиях АМ256/512 особенно очевидна необходимость выбора магнитов с рекомендуемыми спецификацией производителя свойствами. Рекомендуемые размеры ⌀4×4 мм Sm2Co17, с остаточной намагниченностью порядка 1050 мТл. Для рекомендованного магнита типичное расстояние от поверхности магнита до поверхности сенсорного массива, локализованного на кремнии в радиусе 1,5 мм для АМ256 или 2,4 мм для АМ512, составит 1,8 и 2 мм соответственно. Амплитудное значение рабочего магнитного поля при этом составит порядка 50 и 35 мТл соответственно для АМ256 и для АМ512.For factory-programmed AM256 / 512, the need to select magnets with the properties recommended by the manufacturer's specification is especially obvious. Recommended sizes are ⌀4 × 4 mm Sm 2 Co 17 , with a remanence of 1050 mT. For the recommended magnet, the typical distance from the surface of the magnet to the surface of the sensor array localized on silicon in a radius of 1.5 mm for AM256 or 2.4 mm for AM512 will be 1.8 and 2 mm, respectively. The amplitude value of the working magnetic field in this case will be about 50 and 35 mT, respectively, for AM256 and AM512.
В конструкции датчика могут быть использованы магниты другой геометрии с большими или меньшими расстояниями до ИС. Основные условия работоспособности датчика - рекомендуемые рабочие значения магнитной индукции, приведенные в табл.1.In the design of the sensor, magnets of a different geometry with greater or lesser distances to the IC can be used. The main conditions for the sensor's operability are the recommended working values of the magnetic induction given in Table 1.
Магнитные угловые энкодеры с крестообразными элементами Холла обеспечивают самое компактное решение для сканирования углового положения постоянного магнита, размещенного выше или ниже чувствительной поверхности ИС: используемый при этом магнит, диаметрально намагниченный и цилиндрической формы, может быть значительно меньших размеров по сравнению с магнитами для АМР-датчиков, традиционно используемых в аналогичной конфигурации. Применение программируемой ИС двухосевого углового энкодера в комбинации с вращающимся постоянным магнитом, вектор намагниченности которого при вращении параллелен лицевой поверхности ИС, позволяет получать в диапазоне 360° четыре аналоговых сигнала, что эквивалентно применению четырех аналоговых датчиков Холла классического типа в альтернативных конструкциях, также означает повышение компактности конструкции, упрощение технологии сборки и монтажа.Magnetic angular encoders with cross-shaped Hall elements provide the most compact solution for scanning the angular position of a permanent magnet located above or below the sensitive surface of the IC: the magnet used here, diametrically magnetized and cylindrical in shape, can be significantly smaller than magnets for AMP sensors traditionally used in a similar configuration. The use of a programmable biaxial angular encoder IC in combination with a rotating permanent magnet, the magnetization vector of which is parallel to the front surface of the IC during rotation, allows four analog signals to be obtained in the 360 ° range, which is equivalent to the use of four classical Hall type sensors in alternative designs, which also means increased compactness design, simplification of assembly and installation technology.
Высокая чувствительность интегральных датчиков позволяет использовать рабочий воздушный зазор во всех конфигурациях, достаточный для изоляции механической и электрической частей друг от друга.The high sensitivity of the integrated sensors allows the use of a working air gap in all configurations, sufficient to isolate the mechanical and electrical parts from each other.
Кроме того, принцип синусно-косинусного оценивания (с функцией арктангенса вычисления угла) достаточно устойчив к магнитным и механическим допускам вследствие вариаций зазора, осевых биений, старения магнита и влиянию температуры (за счет дифференциального принципа температурная компенсация характеристики теоретически не требуется).In addition, the principle of sine-cosine estimation (with the arc tangent function of calculating the angle) is quite resistant to magnetic and mechanical tolerances due to variations in the gap, axial runout, aging of the magnet and the influence of temperature (due to the differential principle, temperature compensation of the characteristic is theoretically not required).
За счет качества сборки и однородности магнитных поверхностей достигается дальнейшее повышение точности и повторяемости измерений, повышение надежности. Следует отметить, что хотя в заявляемом датчике могут использоваться магниты из любых материалов (Алнико, ферриты, SmCo или NdFeB), в автомобильных системах с повышенной рабочей температурой наиболее предпочтительным материалом является SmCo, имеющий лучшие свойства температурной стабильности.Due to the build quality and uniformity of the magnetic surfaces, a further increase in the accuracy and repeatability of measurements, an increase in reliability is achieved. It should be noted that although magnets from any materials (Alnico, ferrites, SmCo or NdFeB) can be used in the inventive sensor, in automobile systems with an increased operating temperature, SmCo having the best temperature stability properties is the most preferred material.
Заявляемый датчик отражает, в первую очередь, введение в датчик положения педали акселератора на эффекте Холла, описанный выше, магнитной системы на основе программируемой ИС двухосевого углового энкодера с массивом чувствительных элементов Холла и интегрированной схемой обработки сигнала и формирования выходных характеристик и, вторично, развитие адаптационных признаков устройства к конкретным условиям работы через механику и схемотехнику (программирование) датчика.The inventive sensor reflects, first of all, the introduction of a Hall effect accelerator pedal into the sensor, described above, of a magnetic system based on a programmable IC of a biaxial angular encoder with an array of Hall sensitive elements and an integrated signal processing and output characteristics formation circuit and, secondly, the development of adaptive signs of the device to specific working conditions through mechanics and circuitry (programming) of the sensor.
Развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы достигается за счет применения двухосевой ИС Холла с массивом чувствительных элементов, интегрированной схемой обработки сигнала и готовым программируемым интерфейсом, также за счет введения механических ограничителей-упоров измеряемого угла и ограничителя осевых перемещений ротора, жестко закрепляемого в корпусе датчика, в других потенциальных случаях за счет введения возвратной пружины кручения, если датчик встраивается в модуль педали акселератора без внешнего ограничения крутящего момента, или при определении углового положения в других автомобильных и неавтомобильных системах.The development of adaptive features to specific working conditions is achieved through the use of a two-axis Hall IC with an array of sensitive elements, an integrated signal processing circuit and a ready-made programmable interface, as well as through the introduction of mechanical stops-stops of the measured angle and an axial displacement limiter of the rotor, which is rigidly fixed in the sensor housing, in other potential cases due to the introduction of a torsion spring, if the sensor is built into the accelerator pedal module without an external fence torque icheniya, or in determining the angular position of the other vehicle and non-automotive applications.
Введение ограничителя осевых перемещений позволяет увеличить магнитную чувствительность датчика (крутизну магнитных сигналов), использовать меньшие рабочие зазоры и более слабые магниты или регулировать зазор с не рекомендуемыми производителями типами магнитов, если это необходимо, одновременно с наблюдением состояния функциональных выводов высоты магнита. При малых рабочих зазорах ограничитель полностью исключает риск физического разрушения микросхемы вследствие осевых биений привода педали и механической вибрации.The introduction of an axial displacement limiter allows one to increase the magnetic sensitivity of the sensor (the steepness of magnetic signals), use smaller working gaps and weaker magnets, or adjust the gap with types of magnets not recommended by manufacturers, if necessary, while monitoring the status of the functional conclusions of the magnet height. At small operating clearances, the limiter completely eliminates the risk of physical destruction of the microcircuit due to axial beats of the pedal drive and mechanical vibration.
По сравнению с магнитной системой, описанной выше, но без ограничителя осевых перемещений, введение ограничителя для использования малых рабочих зазоров означает увеличение амплитуды рабочего магнитного сигнала при сохранении той же однородности и формы синусоидальных и косинусоидальных рабочих сигналов и, как следствие, их большую помехоустойчивость, повышение надежности на уровне первичных аналоговых сигналов, используемых в ИС энкодера для вычисления углового положения (интерполяции), повышение точности измерений, линейности (в эквиваленте аналогового сигнала), повторяемости.Compared to the magnetic system described above, but without an axial displacement limiter, introducing a limiter for using small working gaps means increasing the amplitude of the working magnetic signal while maintaining the same uniformity and shape of the sinusoidal and cosine working signals and, as a result, their greater noise immunity, increasing reliability at the level of primary analog signals used in the encoder IC for calculating the angular position (interpolation), improving the accuracy of measurements, linearity (in e equivalent of analog signal), repeatability.
Конструкция заявляемого устройства позволяет использовать для расположения ИС Холла любое постоянное расстояние от магнита, определяемое в данном случае из функциональных соображений. Помимо того, что массив элементов Холла является интегрированным в одну ИС, схема датчика включает минимальное число дискретных вычислительных, защитных и контактных интерфейсных компонентов, в конструкции использован минимальный набор механических деталей. Все это означает дальнейшее упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа и вместе с использованием различных вышеперечисленных механических средств, предложенных в конструкции датчика, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы.The design of the claimed device allows the use of any constant distance from the magnet for the location of the Hall IC, which is determined in this case from functional considerations. In addition to the fact that the array of Hall elements is integrated into a single IC, the sensor circuit includes a minimum number of discrete computing, protective and contact interface components, and a minimal set of mechanical parts is used in the design. All this means a further simplification of the design of the device and the technology of its assembly and installation, and together with the use of the various above-mentioned mechanical means proposed in the design of the sensor, the development of adaptation features to specific working conditions.
Программирование в ИС нулевого положения магнита обеспечивает произвольный выбор в конструкции любого положения нулевой плоскости магнитной симметрии магнита относительно корпуса датчика. Дополнительные лыска в установочной втулке датчика и паз в корпусе магнита под отвертку обеспечивают идентичные технические характеристики серийно выпускаемых изделий.Programming in the IC the zero position of the magnet provides an arbitrary choice in the design of any position of the zero plane of the magnetic symmetry of the magnet relative to the sensor housing. Additional flats in the sensor mounting sleeve and a groove in the magnet housing for a screwdriver provide identical technical characteristics of commercially available products.
Повышение точности, повторяемости измерений, увеличение чувствительности, расширение функционального диапазона измеряемого угла, улучшение абсолютных и относительных показателей линейности сигнала абсолютного положения (линейности интерполируемого аналогового сигнала или дрейфа скважности ШИМ-сигнала), повышение надежности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе расширение интерфейсных возможностей, упрощение конструкции датчика и повышение технологичности сборки и монтажа, достигаются за счет применения магнитной системы на основе ИС двухосевого углового энкодера Холла и механических ограничителей осевых перемещений ротора с магнитом и измеряемого угла (упоров и выступов), с одновременным введением ориентирующих пазов (лыски) в установочной втулке датчика и втулке-корпусе магнита для его быстрой механической подгонки отверткой.Improving accuracy, repeatability of measurements, increasing sensitivity, expanding the functional range of the measured angle, improving the absolute and relative linearity indicators of the absolute position signal (linearity of the interpolated analog signal or PWM signal duty cycle drift), improving reliability, developing adaptive features to specific operating conditions, including including expanding interface capabilities, simplifying the design of the sensor and improving the manufacturability of assembly and installation, are achieved by t the use of a magnetic system based on the IS of a biaxial angular Hall encoder and mechanical limiters of the axial displacement of the rotor with the magnet and the measured angle (stops and protrusions), with the simultaneous introduction of orienting grooves (flats) in the sensor mounting sleeve and magnet sleeve for its quick mechanical adjustment a screwdriver.
Минимизация электронных компонентов достигается за счет применения программируемой ИС Холла с максимально возможным числом интегрированных вычислительных и защитных компонентов и минимальным числом внешних интерфейсных компонентов, которые применяются только в случае отсутствия идентичных интегрированных, а также за счет включения в контактный интерфейс датчика только функциональных выводов и сокращения числа вспомогательных выводов датчика, не используемых в дальнейшем после его однократного программирования.Minimization of electronic components is achieved through the use of a programmable Hall IC with the maximum possible number of integrated computing and protective components and a minimum number of external interface components, which are used only in the absence of identical integrated components, as well as by including only functional outputs in the contact interface of the sensor and reducing the number auxiliary conclusions of the sensor, not used further after its single programming.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113860/28A RU2301399C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Contact-free pedal position detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005113860/28A RU2301399C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Contact-free pedal position detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005113860A RU2005113860A (en) | 2006-11-10 |
| RU2301399C2 true RU2301399C2 (en) | 2007-06-20 |
Family
ID=37500670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005113860/28A RU2301399C2 (en) | 2005-05-05 | 2005-05-05 | Contact-free pedal position detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2301399C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792709C1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Mechatronic module for interacting with control pedal of transport and technological device |
-
2005
- 2005-05-05 RU RU2005113860/28A patent/RU2301399C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792709C1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Mechatronic module for interacting with control pedal of transport and technological device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005113860A (en) | 2006-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5840374B2 (en) | Absolute encoder device and motor | |
| US8519700B2 (en) | Magnetic angular position sensor including an isotropic magnet | |
| US7808234B2 (en) | Rotational angle detection device with a rotating magnet and a four-pole auxiiliary magnet | |
| US8692544B2 (en) | Rotary position sensor | |
| JP5406820B2 (en) | Angle measurement system | |
| US7292028B2 (en) | Apparatus for sensing the absolute-value angle of a shaft | |
| US20060103373A1 (en) | Anglular position detection utilizing a plurality of rotary configured magnetic sensors | |
| JP2006220530A (en) | Device for detecting absolute angle of rotation | |
| JP2006220529A (en) | Detection device for absolute angle of rotation and torque | |
| CN110595349B (en) | Multipole magnet, method of manufacturing a multipole magnet and sensor system comprising the same | |
| RU2615612C2 (en) | Contactless true dual axis shaft encoder | |
| US20170138761A1 (en) | Ring magnetic encoder, manufacturing device for ring magnetic encoder, rotary shaft offset detecting method, and human-machine interface device thereof | |
| US7710110B2 (en) | Rotary sensor with rotary sensing element and rotatable hollow magnet | |
| US20220155051A1 (en) | Absolute encoder | |
| US7391206B2 (en) | Magnetic detection circuit and encoder | |
| US20020171417A1 (en) | Angle detector with magnetoresistive sensor elements | |
| RU2313763C2 (en) | Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees | |
| RU2317522C2 (en) | Programmable contact-free angular movement indicator with linear angular range within limits of 360° | |
| RU2301399C2 (en) | Contact-free pedal position detector | |
| JP4925389B2 (en) | Encoder | |
| RU2312363C1 (en) | Contactless programmable pickup of absolute angular position | |
| WO2006013622A1 (en) | Bearing with absolute angle sensor | |
| CN214372241U (en) | Angle measuring device | |
| CN210898836U (en) | Magnetic encoder and motor rotation position measuring device | |
| RU2298148C2 (en) | Contactless sensor of the throttle plate position |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070506 |