VORRICHTUNG ZUR POSITIONS- UND/ODER DREHZAHL- UND/ODER DREHRICHTUNGS-ERKENNUNG EINES ROTIERENDEN TEILS
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Positions- und/oder Drehzahlerkennung eines rotierenden Teils. Aus der DE 196 23 101 AI ist bereits eine gattungsgemaße Vorrichtung bekannt, bei der zwei Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit von der magnetischen Polzahl um einen bestimmten Winkel versetzt angeordnet sind. Das magnetische Drehteil weist vier gleich große magnetische Pole in abwechselnder Nord-Sud-Verteilung auf. Da bei einem VerStellantrieb keine absolute Selbsthemmung bestehen muss, kann die Motorwelle über ihren Antrieb verdreht werden. Sind die jeweiligen Magnetpole bezüglich ihrer Umfangslange gleich lang, so ist eine Anwendung mit nur einem Hallsensor zur Bestimmung der Drehrichtung anhand eines Hallsensorsignals nicht möglich. Die eindeutige Positionsinformation geht verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit nur einem Sensor bei einem einfachen Aufbau der Anordnung noch weitergehende Informationen, insbesondere bezüglich der Lage und Drehrichtung des Drehteils, zu erhalten. Die Aufgabe wird gelost durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemaße Vorrichtung zur Positionserkennung ei- nes rotierenden Teils enthalt zumindest ein Drehteil, das zumindest vier Segmente umfasst, wobei zumindest zwei Segmente aus einer ersten Segmentart und die zumindest zwei weiteren Segmente aus einer zweiten Segmentart bestehen, wobei die beiden Segmentarten durch einen Sensor unterscheid- bar sind. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Segmentlange eines ersten Segments der ersten Segmentart signifikant von der Segmentlange eines zweiten Segments der ersten Segmentart beziehungsweise aller weiteren Segmente unterscheidet. Die Segmentarten können sich vorzugsweise in ihren magnetischen oder optischen Eigenschaften oder hinsichtlich des Widerstands, der Spannungshohe, der Polarität etc. unterscheiden. Das Drehteil enthalt zumindest vier magnetische oder optische Pole, die zumindest zwei Polpaare bilden, und in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Hierdurch ist diese Drehlage des Drehteils beim Drehen direkt erkennbar. Durch die unterschiedliche Umfangslange der jeweiligen (magnetisch oder optisch codierten) Segmente der beiden Segmentarten kann mit Hilfe eines Sensors die Drehrichtung und die Drehlage des Drehteils ermittelt werden. Die Drehzahl kann über die Segmentdauer eingeschätzt und über die Periodendauer errechnet werden, die auf den symmetrisch angeordneten Segmentartenubergangen basiert. Die Drehrichtung ergibt sich aus der Änderung des Tastverhalt- nisses, das auf den asymmetrischen Segmenten (Segmente glei- eher Segmentart unterschiedlicher Umfangslange bzw. Segmente unterschiedlicher Umfangslange) basiert. Die Drehlage kann direkt aus dem Tastverhaltnis ermittelt werden, das auf die asymmetrischen Segmente zurückgeht. Diese Zusatzinformationen können durch Austausch des herkömmlichen symmetrisch durch das erfmdungsgemaß unsymmetrisch codierte Drehteil in
besonders einfacher Weise erzielt werden, ohne dass die komplette mechanische Konstruktion insbesondere des Motors geändert werden musste. Damit lasst sich auch ein eventuell vorhandener zweiter Sensor einsparen, der in der Regel zu- satzliche Informationen zur Drehrichtungserkennung oder zur Positionserkennung liefert. Bei Motoren mit nur einem Sensor kann auf das Anfahren der Verstellendposition oder auf eine zusatzliche Positionserkennung beispielsweise über einen Endschalter verzichtet werden. Bei einer Fremdverstellung mit unversorgtem Steuergerat ist über die Zusatzinformation der unsymmetrischen Pollangen bei Wiederbestromung eine Drehlagenermittlung mit minimaler Ungenauigkeit möglich.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den ab- hangigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben. Es zeigen die Figur 1 einen ersten, die Figur 2 einen zweiten Aufbau des rotierenden Teils mit zugehöriger Sensoranordnung, die Figur 3 typische Signalverlaufe sowie die Figuren 4 bis 9 Flussdiagramme für die Signalauswertung.
Beschreibung
Ein rotierendes Teil 10 ist als asymmetrisch gepolter Ringmagnet ausgeführt. Das rotierende Teil 10 weist acht Polpaa- re auf, die jeweils aus einem magnetischen Sudpol (S1-S8) und einem zugehörigen magnetischen Nordpol (N1-N8) gebildet werden. Alle nachfolgenden polaritatsbezogenen Angaben können auch der jeweils anderen Polarität zugeordnet werden. Ein erster magnetischer Sudpol Sl und ein erster magneti- scher Nordpol Nl bilden das erste Polpaar. Der erste magne-
tische Sudpol Sl besitzt eine Umfangslange LSI, der erste magnetische Nordpol Nl eine Umfangslange LNl. Aus der Umfangslange LSI und LNl ergibt sich die Gesamtumfangslange Ll des ersten Polpaars . Entsprechend weist ein zweiter magneti- scher Sudpol S2 eine Umfangslange LS2, ein zweiter magnetischer Nordpol N2 eine Umfangslange LN2 auf. Im Ausfuhrungsbeispiel ist die Umfangslange Ll des ersten Polpaars genauso groß wie die Umfangslange L2 des zweiten Polpaars. Die Lange LSx (x = 1 bis 8) der magnetischen Sudpole Sx nimmt mit zu- nehmender Polpaarzahl x ab . In gleichem Maße nimmt die Umfangslange LNx der zugehörigen magnetischen Nordpole Nx zu. Die Umfangslange Lx der Polpaare x ist jedoch konstant.
Es ist ein Magnetfeldsensor 12 vorgesehen, der das Magnet- feld des rotierenden Teils 10 erfasst und ein entsprechendes Ausgangssignal an die Signalverarbeitung 14 abgibt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Signalverarbeitung 14 wird ein das rotierende Teil 10 bewegender VerStellantrieb 16 angesteuert, dessen charakteristische Grossen der Signal- Verarbeitung 14 zugeführt sind.
In dem Ausfuhrungsbeispiel gemass Figur 2 besteht das runde, rotierende Teil 10 aus drei Polpaaren. Der erste magnetische Sudpol Sl wird von einem Winkel von 45°, der erste magneti- sehe Nordpol Nl von einem Winkel von 75°, der zweite magnetische Sudpol S2 von einem Winkel von 50°, der zweite magnetische Nordpol N2 von einem Winkel von 70° sowie der dritte magnetische Sudpol S3 von einem Winkel von 55° und der dritte magnetische Nordpol N3 von einem Winkel von 65° begrenzt. In Übereinstimmung zu den Winkelverhaltnissen ergeben sich auch die jeweiligen Umfangslangen LSx, LNx (x = 1 bis 3) . Die einzelnen Sud- oder Nordpole werden nachfolgend auch als Segmente bezeichnet.
In Figur 3 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals
des Magnetfeldsensors 12 für die in Figur 2 gezeigte Anordnung dargestellt, für den Linkslauf LL oben, für den Rechtslauf RL unten.
In der verallgemeinernden Terminologie der Ansprüche entspricht der Umfangslange LNx der jeweiligen Nordpole Nx (ge- mass Ausfuhrungsbeispiel) die Segmentlange eines Segments einer ersten Segmentart, der Umfangslange LSx der jeweiligen Sudpole Sx (gemass Ausfuhrungsbeispiel) die Segmentlange ei- nes Segments einer zweiten Segmentart.
Die Lange LSx, LNx der magnetischen Sud- bzw. Nordpole Sx, Nx ist vorzugsweise so gewählt, dass sich anhand dieser Lange eindeutig der jeweilige magnetische Pol zuordnen lasst. Die Umfangslange Lx eines Polpaars x ist jedoch für alle
Polpaare gleich. Dadurch kann das übliche Ermittlungsverfahren für die Drehzahl des rotierenden Teils 10 beibehalten werden.
Als Magnetfeldsensor 12 ist beispielsweise ein Hallsensor verwendet. Dieser Hallsensor gibt ein binares Ausgangssignal ab. Eine Binaranderung erfolgt dann, wenn ein Wechsel der Magnetisierung (von Sud auf Nord bzw. umgekehrt) erfolgt. Bei dem rotierenden Teil 10 handelt es sich vorzugsweise um einen Magnetring, der üblicherweise auf der Motorwelle des elektromotorischen Versteilantriebs 16 angeordnet ist oder mit einem vom Versteilantrieb 16 bewegten Teil verbunden wird, so dass der VerStellantrieb 16 den Magnetring bewegt.
Nachfolgend wird der in der Signalverarbeitung 14 hinterlegte Programmablauf beschrieben. Bei Programmbeginn (Start), Schritt 90, wird anhand des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors 12 die Polarität des aktuellen Magnetpols bestimmt, Abfrage 93. Bei dem in Figur 3 dargestellten Signalverlauf nimmt bei einem Nordpol das Ausgagnssignal 13 des Magnet-
feldsensors 12 den Wert logisch Eins, bei einem Sudpol den Wert logisch Null an. Anhand des Vergleichs der Polarität des aktuellen Magnetpols (bei Programmbeginn) mit der Polarität des Magnetpols beim Deaktivieren des Versteilantriebs 16 (auf dem der Versteilantrieb 16 zum Stehen kam) kann bei Abweichung ein Positionsverlust erkannt werden. Für diesen Fall wird eine entsprechende Information in Schritt 95 gespeichert .
Anschließend wird der Programmablauf „Motorzustand" bearbeitet, Schritt 101, wie in Figur 5 naher ausgeführt. Zunächst wird der Zustand des Versteilantriebs 16 abgefragt, Abfrage 103. Wird der VerStellantrieb 16 nicht angesteuert, lasst dies auf eine passive Motorverstellung bzw. Fremdverstellung schliessen, Schritt 105. Der sich an Schritt 105 anschließende Programmablauf ist in Figur 6 dargestellt und wird spater beschrieben. Wurde der Versteilantrieb 16 gezielt angesteuert, so erfolgt in Schritt 107 die Drehrichtungsermittlung. Anhand der gezielten Ansteuerung ist die Mo- tordrehrichtung vorbekannt. Die Drehrichtungserkennung be- einflusst die Drehzahlermittlung. Dreht sich der Versteilantrieb 16 rechts, so wird als Drehzahl der Reziprokwert der Zeit zwischen den steigenden Flanken verwendet, Schritt 109. Dreht sich der Versteilantrieb 16 links, wird als Drehzahl der Reziprokwert der Zeit zwischen den fallenden Flanken verwendet, Schritt 111. Damit ist für die in Figur 2 gezeigte Anordnung sichergestellt, dass die Zeitspanne ermittelt wird, die für das Durchlaufen der konstanten Umfangslange Lx der Polpaare x benotigt wird. In Verbindung mit der konstan- ten Umfangslange Lx ist der Kehrwert der ermittelten Zeitspanne ein Maß für die Drehzahl. Über die Drehrichtungserkennung wird auch eine der ursprunglichen Motoransteuerung entgegenwirkende Fremdverstellung erkannt.
Nachfolgend wird der Programmablauf in Anschluss an Schritt 105 beschrieben, Figur 6. Der Versteilantrieb 16 wurde nicht durch eine gezielte Bestromung oder trotz Bestromung in entgegengesetzter Richtung bewegt, sondern passiv oder aktiv fremdverstellt, wie in Abfrage 103 ermittelt. Die bisherige Position des VerStellantriebs 16 (vor der Fremdverstellung) sei bekannt. In Abfrage 131 wird ermittelt, ob der Versteilantrieb 16 seine bisherige Position verlassen hat. Als Kriterium hierfür dient eine Signalanderung des Magnetfeldsen- sors 12. Falls ein Impuls (Änderung) auftrat, werden der Aktivierungszahler und der Flankenzahler inkrementiert, Schritt 133. Der Flankenzahler erfasst jede weitere Flanke für die spatere Positionsermittlung . Der Aktivierungszahler erkennt den Beginn einer Bewegung des Versteilantriebs 16. Sofern nach einer zu definierenden Mindestpause ohne Flankenwechsel ein erneuter Flankenwechsel erfolgt, wird der Aktivierungszahler inkrementiert. Daran schließt sich Abfrage 135 an, ob die Flankenart des auftretenden Magnetfeldsensorimpulses (steigend, fallend) von der vorhergehenden Flan- kenart abweicht. Stimmen die Flankenarten nicht uberein, schließt sich sofort die Drehrichtungserkennung an, Schritt 139. Bei einer Übereinstimmung der aktuell auftretenden mit der zuletzt aufgetretenen Flankenart (also im nicht regulären Betrieb) wird auf einen Positionsverlust geschlossen, Schritt 137. In diesem Fehlerfall konnte beispielsweise der VerStellantrieb 16 als Vorsichtsmaßnahme mit geringerer Geschwindigkeit verfahren werden. An Schritt 137 schließt sich Schritt 139 an.
Die Drehrichtungserkennung, Schritt 139, wird in Figur 7 naher erläutert. Zu diesem Zweck wird die Drehzahl, wie nachfolgend in Figur 8 beschrieben, ermittelt, Schritt 151.
In Figur 8 ist der Programmablauf mit der Erkennung der Überschreitung der Mindestdrehzahl gezeigt. Hierzu wird die
absolute Segmentdurchlaufzeit gemessen, nämlich die Zeit zwischen zwei Flankenwechseln (beispielsweise die Zeitspanne TSl wie in Figur 3 dargestellt), Schritt 155. Zur Berechnung der Drehgeschwindigkeit wird die gemessene Zeit durch die polaritatsrichtige (LS oder LN) mittlere Segmentlange (in diesem Beispiel LS2 oder LN2 ) dividiert, die durch die Geometrie des rotierenden Teils 10 vorgegeben ist, Schritt 157. Bei dem Beispiel gemäß Figur 2 ist die mittlere Segmentlange der Nordpole Nx die des zweiten Norpols N2, da dessen Lange LN2 zwischen der ersten Lange Ll des ersten Nordpols Nl und der dritten Lange LN3 des dritten Nordpols N3 liegt. Entsprechendes gilt für die Lange LS2 des zweiten Sudpols S2. Mit dieser Wahl wird der Fehler bei der Drehgeschwindigkeitsermittlung minimiert. Zur Ermittlung der polaritats- richtigen mittleren Segmentlange LS2, LN2 wird beispielsweise die Art des ersten Flankenwechsels herangezogen. Bei einer ersten steigenden Flanke wird ein Nordpol Nx durchlaufen, so dass als mittlere Segmentlange LN2 die des zweiten Nordpols N2 herangezogen wird. Bei einer fallenden ersten Flanke lasst dies auf einen zu durchlaufenden Sudpol Sx schliessen. Die zugehörige polaritatsrichtige mittlere Segmentlange ist gemäß Figur 2 die des zweiten Sudpols S2, LS2. Die Toleranz/der Fehler der berechneten Drehgeschwindigkeit betragt in der Anordnung gemäß Figur 2 maximal 12%, so dass eine ausreichend genaue Drehzahl ermittelt werden kann.
Liegt die Drehgeschwindigkeit unter einem vorgebbaren Wert - wie in Abfrage 159 ermittelt, ist aus Sicherheitsgründen zusatzlich ein Flankenzahler, zur spateren Uberpru- fung/Korreketur, zu verwenden.
Nach Abarbeitung des in Figur 8 gezeigten Unterprogramms „Drehgeschwindigkeitsermittlung" wird in Schritt 161 in Figur 7 gesprungen. In Schritt 161 wird der Segmentwinkel gemessen. Nach der Messung des Segmentwinkels (über eine Zei- terfassung) kann die erste Motorwinkellage aufgrund der Geo-
metrie des rotierenden Teils 10 bekannten Segmentlangen und der Drehzahl ermittelt werden, Schritt 163. Dies wird für ein zweites Segment durchgeführt, Schritte 165, 167. Die Drehrichtung kann durch die Winkellagenanderung ermittelt werden, Schritt 169. Daran schließt sich die Positionsermittlung gemäß Schritt 171 an, die in Figur 9 naher dargestellt ist.
Die aktuelle Position des Versteilantriebs 16 ergibt sich aus der Winkellage plus die Anzahl der gezahlten Flanken, die der Flankenzahler in Schritt 133 ermittelte, Schritt 173. Weitere Drehrichtungserkennungen sind über die Abfolgen gleicher Pegel, gleicher Flanken und/oder flankenbezogener Periodendauermessung/vergleich möglich.
Anstelle einer magnetischen Codierung sind beliebige weitere Codierungen des beweglichen Teils 10 möglich, so beispielsweise eine optische Codierung mit der entsprechenden Senso- rik. In diesem Zusammenhang weist das bewegliche Teil 10 ei- ne asymmetrische Anordnung von dunkel und hell codierten Abschnitten auf. Den Nordpolen Nx gemäß den Figuren 1 und 2 entsprachen hierbei beispielsweise dunkle Abschnitte, den Sudpolen Sx helle oder umgekehrt. Der optische Sensor gibt eine binare Information aus abhangig davon, ob gerade ein helles oder ein dunkles Segment durchlaufen wurde. An dem prinzipiellen Aufbau der zugehörigen Signalauswertung ändert sich jedoch nichts. Grundsatzlich sind alle Sensoranordnungen nach diesem Prinzip betreibbar, die denen Sensoren ein Durchlaufen zweier unterschiedlicher Segmenttypen voneinan- der unterscheiden können. Insbesondere muss der Segmentwechsel sicher erkannt werden.