SI24774A - Postopek in naprava za justiranje rotacijskega dajalnika - Google Patents

Abstract

Predmet izuma sta postopek in naprava za justiranje rotacijskega dajalnika, to je absolutnega magnetnega dajalnika zasuka s Hallovimi elementi, ki so postavljeni v obliki krožnice, zaznavajo magnetno polje diametralno polariziranega permanentnega magneta. Postopek je značilen po tem, da se aktuatorski magnet enkrat ali večkrat zavrti nad senzorskim vezjem, pri čemer se beleži zasuk v odvisnosti od časa; nato se izračuna predpostavljene vrednosti zasuka v odvisnosti od časa; od dejanskih izmerkov zasuka se odšteje predpostavljene vrednosti zasuka; z analizo te razlike se določi vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja tako, da je po upoštevanju novih vrednosti električnih parametrov ponovno pomerjena razlika manjša kot pred spremembo; se vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja vpiše v senzorsko vezje.

Description

Postopek in naprava za justiranje rotacijskega dajalnika

Predmet izuma sta postopek in naprava za justiranje rotacijskega dajalnika, to je absolutnega magnetnega dajalnika zasuka s Hallovimi elementi, ki so postavljeni v obliki krožnice, zaznavajo magnetno polje diametralno polariziranega permanentnega magneta.

Znano stanje tehnike:

V enem od principov delovanja absolutnih magnetnih dajalnikov zasuka Hallovimi elementi, ki so postavljeni v obliki krožnice, zaznavajo magnetno polje diametralno polariziranega permanentnega magneta. Z ustrezno obdelavo signalov, ki jih generirajo Ha Ilovi elementi, je namreč mogoče določiti, kako je permanentni magnet orientiran glede na Hallove elemente. Današnja polprevodniška tehnologija omogoča, da so tako Hallovi elementi kot elektronsko vezje za obdelavo signalov integrirani na istem polprevodniškem vezju, to je v silicijevem čipu. To vezje je zbondirano in zaprto v ohišje ter v najpogostejši rabi kot čip postavljeno na ploščico tiskanega vezja, kjer so dodani še elektronske komponente za npr. shranjevanje parametrov delovanja čipa, za nivojsko prilagoditev izhodnih signalov, kabelske povezave, itd. Polprevodniško vezje s Hallovimi elementi in vezjem za obdelavo signalov imenujemo senzorsko vezje in center krožnice s Hallovimi elementi kot center senzorskega vezja.

V tipični aplikaciji je aktuatroski magnet vstavljen v nosilec magneta, ta nosilec pa je nataknjen na konec osi, katere zasuk merimo. Tiskano vezje s čipom, to je dajalnikom, je mehansko pritrjeno na nosilcu ob koncu osi, tako da se magnet vrti neposredno nad čipom.

Točnost delovanja takšnega dajalnika zasuka je v največji meri odvisna od tega, kako je magnet namagneten glede na geometrijske značilnosti aktuatorskega magneta, ter od ujemanja med centrom vrtenja magneta in centrom senzorskega vezja. Na samo kvaliteto magnetov običajno nimamo vpliva, lahko pa s sortiranjem poskrbimo, da izločimo neustrezne. S tem dosežemo, da so magneti oz. magneti v nosilcih magneta tako glede magnetnih kot geometrijskih lastnosti enaki.

Drugače je z medsebojno lego magneta in senzorskega vezja. Lega senzorskega vezja znotraj čipa se lahko v omejenem obsegu spreminja, saj je odvisna od procesa zapiranja senzorskega vezja v čip. Podobno se spreminjata lega čipa glede na tiskano vezje v procesu spajkanja čipa na tiskano vezje ter

-2lega tiskanega vezja glede na os vrtenja magneta v procesu montaže magneta in tiskanega vezja v aplikaciji pri uporabniku.

Pri vrtenju magneta nad čipom se v senzorskem vezju generirata dva sinusoidalna signala z eno periodo na obrat magneta in med seboj zamaknjena za četrtino periode. Interpolatorski blok znotraj senzorskega vezja ustrezno ovrednosti trenutni vrednosti obeh sinusoidalnih signalov in ju pretvori v podatek o orientaciji magneta glede na sezorsko vezje. Izenačenost občutljivosti Hallovih elementov, kvaliteta magneta, ujemanje osi vrtenja magneta s centrom senzorskega vezja ter njuna medsebojna razdalja neposredno vplivajo na obliko in potek sinusoidalnh signalov. Podatek o zasuku magneta, ki ga izračuna interpolatorski blok, se od prave vrednosti zasuka magneta najmanj razlikuje takrat, ko imata sinusoidalna signala enako amplitudo, enak odmik od ničelne črte in sta medsebojno zamaknjena za natanko četrt periode.

V splošnem se zaradi variacij lastnosti magnetov ter vgradnje magnetov glede na senzorsko vezje amplitudi sinusoidalnih signalov razlikujeta, njun odmik od ničelne črte ni enak nič in njun fazni zamik je različen od četrtine periode. V postopku justiranja dajalnika v proizvodnji je možno nekatere električne parametre senzorskega vezja nastaviti tako, da imata sinusoidalna signala na vhodu v interpolatorski blok amplitudi po justiranju izenačeni, enaki srednji vrednosti in pravilno fazno razliko. Nastavljene vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja se shranijo v pomnilnik, ki je tudi del senzorskega vezja, in se obdržijo tudi po odklopu senzorskega vezja od napajanja. Rečemo, da se jih vpiše v senzorsko vezje.

Vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja, s katerimi popravljamo obliko in potek sinusoidalnih signalov in pri katerih je razlika med vrednostjo zasuka, ki jo vrne dajalnik, in dejansko vrednostjo zasuka magneta najmanjša, lahko določimo na več načinov. En način predstavlja snemanje sinusoidalnih signalov v odvisnosti od dejanskega zasuka magneta, pri čemer merimo zasuk magneta z referenčnim dajalnikom, katerega napaka je znana in hkrati manjša od ločljivosti zasuka, ki ga vrne senzorsko vezje. Električni parametri za justiranje senzorskega vezja se določijo z analizo obeh sinusoidalni signalov. V drugem primeru se posnamejo zasuk, ki ga vrne senzorsko vezje, v odvisnosti od dejanskega zasuka magneta, ki ga izmeri referenčni dajalnik. Z analizo razlike med obema zasukoma, to je pogreška, se na osnovi poznavanja vplivov amplitud, srednjih vrednosti ter faze sinusoidalnih signalov na pogrešek določijo oz. izračunajo električni parametri senzorskega vezja, tako da je po njihovem vpisu v senzorsko vezje pogrešek dajalnika manjši kot pred tem. V obeh zgoraj opisanih primerih je za posnetek sinusoidalnih signalov ali pogreška potreben referenčni dajalnik.

-3Vendar je za vpisane električne parametre pogrešek minimalen le za tisto medsebojno lego centra magneta in tiskanega vezja, ki je bila dosežena med justiranjen v proizvodnji, kar pa je težko ponoviti kasneje pri uporabniku. Problem enostavnega in ponovljivega pozicioniranje tiskanega vezja z magnetnim senzorjem glede na pozicijo magneta magnetnega rotacijskega dajalnika zadovoljivo rešuje izum, opisan v patentnem dokumentu Sl 22966. Če zaradi prostorskih ali katerih drugih omejitev uporaba orodja za centrično vgradnjo magnetnega rotacijskega dajalnika ne pride vpoštev, enake medsebojne lege centra magneta in senzorskega vezja pa ni mogoče zanesljivo ponoviti na kak drug način, je po vgradnji pogrešek večji, kot je bil po justiranju. Za doseganje točnosti, ki jo je dajalnik sposoben, je potrebna ponovna določitev električnih parametrov senzorskega vezja, za kar potrebujemo referenčni dajalnik, ki meri dejanski zasuk magneta. To pa je pri uporabniku po vgradnji dajalnika praktično neizvedljivo.

Postopke izboljšanja točnosti po vgradnji rotacijskega dajalnika, ki ga sestavljata merilni obroč, pritrjen na vrteči se del, ter ločena čitalna glava, ki zaznava medsebojno lego čitalne glave glede na merilni obroč, opisuje več izumov. Patentni dokument US7797981 na primer opisuje postopek, pri katerem z eno ali več dodatnimi čitalnimi glavami določimo napako dajalnika po montaži merilnega obroča brez referenčnega dajalnika. Popravki napake se nato trajno vpišejo v števno enoto ali v krmilnik, na katerega je priključena čitalna glava dajalnika, dodatne čitalne glave, ki so bile uporabljene za določitev napake dajalnika, pa odstranimo, saj niso več potrebne.

Naloga in cilj izuma sta postopek in naprava, ki bosta omogočala enostavno določanje električnih parametrov senzorskega vezja po končni vgradnji magneta in tiskanega vezja, tako da bo pogrešek dajalnika čim manjši.

Opis postopka:

Izum bo opisan s pomočjo izvedbenega primera in slike, ki prikazuje:

Slika 1: shematski diagram poteka postopka justiranja rotacijskega dajalnika.

Po vstavitvi aktuatorskega magneta v os vrtenja in vgradnji tiskanega vezja pri uporabniku zavrtimo magnet, da se enkrat ali večkrat zavrti nad senzorskim vezjem, pri čemer snemamo zasuk, ki ga vrne dajalnik v odvisnosti od časa. Po koncu snemanja zasuka izračunamo predpostavljeni časovni potek zasuka magneta.

Če se aktuatorski magnet vrti dovolj hitro, lahko v primeru, da je vztrajnostni moment telesa, na katerega je pritrjen magnet, dovolj velik, predpostavimo, da se hitrost vrtenja med postopkom

-4justiranja ne spreminja. Predpostavimo torej, da se pravi zasuk magneta znotraj enega obrata enakomerno povečuje oziroma zmanjšuje, odvisno od smeri vrtenja. Za vsako izmerjeno vrednost zasuka izračunamo vrednost zasuka, ki je znotraj enega obrata linearna funkcija časa. Iz razlike med izmerjenimi in izračunanimi predpostavljenimi vrednostmi zasuka, to je pogreška, in z analizo pogreška znotraj enega obrata nato določimo take vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja, da je pogrešek po spremembi električnih parametrov manjši kot pred spremembo.

Na podoben način ravnamo, ko se hitrost vrtenja magneta med izvajanjem justiranja spreminja. Enako beležimo zasuk, ki ga vrne dajalnik v odvisnosti od časa, v odbobju več obratov magneta. Časovni intervali med dvema izmerkoma naj bodo tako kratki, da zabeležimo večino stanj dajalnika. Iz razlike časov med zaporednimi obrati ob isti vrednosti zasuka določimo obhodne čase za vsako zabeleženo vrednost zasuka. Iz obhodnih časov najprej izračunamo kotno hitrost v odvisnosti od zasuka ter nato preračunamo še kotno hitrost kot funkcijo časa. S seštevanjem delnih produktov kotne hitrosti kot funkcije časa in časovnega intervala med dvema izmerkoma izračunamo predpostavljeni zasuk v odvisnosti od časa. Od dejanskih izmerkov zasuka odštejemo izračunani predpostavljeni zasuk in dobimo podatek o pogrešku znotraj več obratov. Z analizo pogreška določimo vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja tako, da je po vpisu električnih parametrov v senzorsko vezje ponovno pomerjena razlika manjša kot pred spremembo. Z analizo pogreška, izračunanega v več obratih, je določanje pravih vrednosti električnih parametrov bolj zanesljivo.

Opis naprave:

V izvedbenem primeru je naprava za justiranje rotacijskega dajalnika sestavljena iz vezja z mikrokrmilnikom. Po vgradnji magneta na os, katere zasuk merimo, in senzorskega vezja dajalnika priključimo napravo za justiranje na senzorsko vezje. Os, na katero je pritrjen magnet, je istočasno os vrtenja električnega motorja. Motor zavrtimo tako, da je nekaj časa napajan, ko doseže želeno število obratov, pa napajanje odstranimo in pustimo, da se prosto vrti. Mikrokrmilnik je sprogramiran, da bere in shranjuje vrednost zasuka, to je pozicijo osi. Interval med dvema branjema je fiksen ali se spreminja. Interval je izbran tako, da mikrokrmilnik posname večino stanj dajalnika v enem obratu osi. Mikrokrmilnik shranjuje podatke o zasuku skupaj s podatkom o času, v katerem je bila dana zahteva po vrednosti zasuka, v pomnilnik. Snemanje se po enem ali več obratih zaključi. Temu sledi obdelava izmerkov po zgoraj opisanem postopku: mikrokrmilnik po algoritmu izračuna obhodne čase osi za vsako shranjeno vrednost zasuka. Obhodni časi so izračunani kot razlika med časoma dveh vrednosti zasuka, ki se razlikujeta za en obrat. Za vsako vrednost obhodnega časa program izračuna kotno hitrost najprej kot funkcijo zasuka ter nato še kot funkcijo časa. Idealni potek zasuka v odvisnosti od časa je po

-5algoritmu izračunan preko seštevanja delnih produktov kotne hitrosti kot funkcije časa in časovnega intervala med dvema izmerkoma. Idealni potek zasuka je tisti potek, kakršnega bi izmerili v primeru, če imata sinusoidalna signala idealen potek. Od dejanskih izmerkov zasuka nato mikrokrmilnik po programu odšteje izračunani predpostavljeni zasuk in določi potek pogreška znotraj enega ali več več obratov. Z analizo pogreška sledi določitev vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja. Po vpisu novih vrednosti električnih parametrov v senzorsko vezje, kar je ravno tako izvedeno z mikrokrmilnikom, je ponovno pomerjena razlika med dejanskim in izračunanim zasukom manjša kot pred spremembo. Z analizo pogreška, izračunanega v več obratih, je določanje vrednosti električnih parametrov še bolj zanesljivo.

Namesto z mikrokrmilnikom je lahko naprava za justiranje realizirana tudi na kak drug način, npr. s FPGA vezjem ali kar s programom, ki teče na osebnem računalniku, ki ima dodano vhodno-izhodno kartico, ki skrbi za komunikacijo z dajalnikom.

Ravno tako je mogoče, da je naprava za justiranje, ki je realizirana z mikrokrmilnikom ali s FPGA vezjem, dodana senzorskemu vezju znotraj ohišja dajalnika in je tako torej integrirana v dajalnik.

Zgoraj opisani postopek in naprava veljata tudi v primeru, ko senzorsko vezje in Hallovi elementi niso integrirani na istem polprevodniškem vezju, ampak ga sestavljajo diskretnimi Hallovimi elemeti in ločeno elektronsko vezje za obdelavo signalov. Namesto Hallovih elementov so lahko uporabljeni tudi drugačni senzorji magnetnega polja, npr. anizotropni magnetorizistivni senzorji AMR, GMR (Giant Magneto Resistence) ali TMR (Tunelling Magneto Resistance) senzorji.

Claims (5)

1. Zahtevki:

   1. Postopek za justiranje rotacijskega dajalnika, označen s tem, da se aktuatorski magnet enkrat ali večkrat zavrti nad senzorskim vezjem, pri čemer se beleži zasuk v odvisnosti od časa; nato se izračuna predpostavljene vrednosti zasuka v odvisnosti od časa; od dejanskih izmerkov zasuka se odšteje predpostavljene vrednosti zasuka; z analizo te razlike se določi vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja tako, da je po upoštevanju novih vrednosti električnih parametrov ponovno pomerjena razlika manjša kot pred spremembo; se vrednosti električnih parametrov senzorskega vezja vpiše v senzorsko vezje.
2. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se v primeru, da se hitrost vrtenja aktuatorskega magneta med justiranjem ne spreminja, predpostavljeni zasuk izračuna tako, da se ob vsakem zabeleženem zasuku izračuna vrednost zasuka, kot bi jo vrnilo senzorsko vezje ob enakomernem naraščanju oziroma padanju zasuka.
3. 3. Postopek po zahetvku 1, označen s tem, da se v primeru, da se med justiranjem hitrost vrtenja aktuatorskega magneta spreminja, beleži zasuk v odvisnosti od časa v časovnih intervalih, dovolj kratkih, da zabeležimo večino stanj dajalnika; iz razlike časov med zaporednimi obrati ob isti vrednosti zasuka se določi obhodne čase za vsako zabeleženo vrednost zasuka; iz obhodnih časov se izračuna kotno hitrost v odvisnosti od časa; predpostavljeni zasuk v odvisnosti od časa se izračuna s seštevanjem delnih produktov kotne hitrosti in časovnega intervala med dvema izmerkoma.
4. 4. Naprava za justiranje rotacijskega dajalnika, označena s tem, da je priključena na dajalnik s senzorskim vezjem po vgradnji dajalnika in aktuatorskega magneta in izvaja postopek po zahtevkih 1, 2 ali 3 ter omogoča snemanje zasuka v odvisnosti od časa, izračun pogreška in električnih parametrov senzorskega vezja ter omogoča vpis novih električnih parametrov v senzorsko vezje.
5. 5. Naprava po zahtevku 4, označena s tem, da je integrirana znotraj ohišja dajalnika.