DE19928557A1

DE19928557A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE19928557A1
Application number: DE19928557A
Authority: DE
Inventors: Manfred Busch
Original assignee: SSG HALBLEITER VERTRIEBS GmbH
Current assignee: SSG HALBLEITER VERTRIEBS GmbH
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Zur Bestimmung einer Position entlang eines innerhalb eines Magnetfeldes verlaufenden Positionierweges (5), wobei das Magnetfeld entlang dem Positionierweg (5) einen nicht konstanten, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren magnetischen Induktionsverlauf aufweist, wird die Induktion an einer Meß-Position gemessen und aus dem Induktions-Meßsignal mit Hilfe der Funktionsgleichung ein Positionssignal ermittelt. Dabei wird die Induktion an zwei unterschiedlichen Meß-Positionen (x1, x2) des Positionierweges (5) gemessen. Aus den beiden Induktions-Meßsignalen sowie dem Abstand DELTAx der beiden Meßpositionen zueinander wird das Positionssignal ermittelt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Position entlang eines innerhalb eines Magnetfeldes verlaufenden Positionierwegs, wobei das Magnetfeld entlang dem Positionierweg einen nicht konstanten, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren magnetischen Induktionsverlauf aufweist, und wobei zur Positions bestimmung die Induktion an einer Meß-Position gemessen und aus dem Induktions-Meßsignal mit Hilfe der Funktionsgleichung ein Positionssignal ermittelt wird.

Die Erfindung bezieht sich desweiteren auf einen Positionsgeber mit einem Magneten und einem innerhalb von dessen Magnetfeld angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensor, wobei dem Magneten ein Positionierweg für den Sensor zugeordnet ist, entlang dem die Position des Sensors zum Magneten durch Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Magneten veränderbar ist und wobei die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs einen nichtkonstanten, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren Verlauf hat, und wobei der Sensor mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Position des Sensors entlang dem Positionierweg aus dem Induktionssignal verbunden ist.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik verwendet, um die Stell-Positionen der Pedale, des Lenkrades, der Scheinwerfer, der Bremszylinder, der Sitze oder anderer, verstellbarer Fahrzeugteile zu ermitteln.

Dabei wird die magnetische Feldstärke beziehungsweise die Induktion an einem Punkt gemessen. Aus dem Induktionsverlauf kann unter Berücksichtigung der Funktionsgleichung und Annahme eines gleichbleibenden, der Funktionsgleichung folgenden Induktionsver laufes die gesuchte Position ermittelt werden. Der Positionierweg kann dabei jeden beliebigen Verlauf, beispielsweise linear oder kreisbogenförmig, aufweisen. Lediglich die Änderung der Induktion entlang dem Positionierweg muß entsprechend der Funktionsgleichung verlaufen, beispielsweise linear oder sinusartig.

Bei dem vorbekannten Verfahren und der Vorrichtung wirkt sich jedoch nachteilig aus, daß sich der tatsächliche Induktionsverlauf gegenüber dem Verlauf gemäß der vorausgesetzten Funktionsgleichung verändern kann, beispielsweise durch Temperaturänderungen, Alterungsprozesse oder Luftspaltänderungen, was zu Meßfehlern führt. Um die Meßungenauigkeiten gering zu halten, ist es zwar bekannt, Magnete mit kleinem Temperaturkoeffizienten zu verwenden, beispielsweise aus Samarium-Cobalt-Verbindungen, jedoch sind diese sehr teuer.

Es besteht daher insbesondere die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen eine präzise, im wesentlichen störgrößenunabhängige Positionsbestimmung möglich ist. Zudem soll die Vorrichtung kostengünstig realisierbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht hinsichtlich des Verfahrens darin, daß die Induktion an zwei unterschiedlichen Meß- Positionen des Positionierweges gemessen wird und daß aus den beiden Induktions-Meßsignalen sowie dem Abstand der beiden Meß-Positionen zueinander das Positionssignal ermittelt wird.

In vorteilhafter Weise kann dadurch aus den beiden, entlang dem Positionierweg gemessenen Meßsignalen die Meß-Positionen unabhängig von den die Störgrößen charakterisierenden Koeffizienten der Funktionsgleichung des Induktionsverlaufs ermittelt werden. Dadurch wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht. Der Positionierweg kann einen beliebigen Verlauf aufweisen und beispielsweise gerade, kreisförmig, oval oder gebogen sein. Möglich ist auch ein spiralförmiger beziehungsweise schrauben- oder wendelartiger Verlauf.

Der mathematische Hintergrund dieser Ermittlung kann wie folgt beschrieben werden:
Die magnetischen Induktionen an den beiden Meßpositionen betragen

B1 = f(x1) (1)

und

B2 = f(x2) = f(x1 + Δx) (2)

wobei f(x) die den Induktionsverlauf entlang dem Positionierweg beschreibende Funktionsgleichung ist, x1 und x2 die Positionen der beiden Sensoren entlang dem Positionierweg sind, und Δx = x2 - x1 der Abstand der beiden Meß-Positionen zueinander ist. Setzt man die Gleichungen (1) und (2) ins Verhältnis zueinander, so ergibt sich die Gleichung

beziehungsweise bei Quotientenbildung von (1) und [(2)-(1)]

Die Gleichung (3) beziehungsweise (3a) kann nach der gesuchten Position x1 aufgelöst werden, wobei sich die die Störgrößen charakterisierenden Koeffizienten der Funktionsgleichung durch die Quotientenbildung herauskürzen oder zumindest deren Einfluß auf das Gleichungssystem auf ein vernachlässigbares Maß reduziert ist. Somit ist eine präzise, im wesentlichen störgrößenunabhängige Ermittlung der Meß-Position möglich.

Bei einem Induktionsverlauf mit f(0) = 0 gibt der ermittelte Positionswert x1 die Entfernung der Meß-Position entlang dem Positionierweg von einem Referenzpunkt, an dem die magnetische Induktion gleich Null ist, wieder. Da der Referenzpunkt eine absolute Position innerhalb des Magnetfeldes darstellt, ist bezüglich des Magnetfeldes eine absolute Positionsbestimmung möglich.

Es ist vorteilhaft, wenn bei der Ermittlung des Positionssignals der Induktionsverlauf zwischen den beiden jeweiligen Meßpositionen durch einen linearen Induktionsverlauf approximiert wird. Durch Division der Gleichung (3a) durch den Abstand Δx = x2 - x1 ergibt sich die Gleichung

Der Ausdruck (f(x2) - f(x1))/(x2 - x1) stellt bei einer Geraden die Steigung dar. Mit der Geradenapproximation wird angenommen, daß die Steigung an beiden Meßpositionen x1 und x2 gleich ist. Da die Steigung einer Kurve mathematisch durch die erste Ableitung f'(x) der Funktionsgleichung f(x) beschreibbar ist, ergibt sich die Gleichung

Gleichung (5) ist in der Regel einfacher nach der gesuchten Meßposition x1 aufzulösen als Gleichung (3) beziehungsweise (3a).

Ist der Abstand Δx der beiden Sensoren zueinander klein gegenüber dem gesamten Positionierweg, und weicht der tatsächliche Induktionsverlauf somit nur geringfügig von dem zwischen den Meß- Positionen x1 und x2 approximierten Geradenstück ab, so ist auch der sich durch die Geradenapproximation ergebende Meßfehler vernachlässigbar klein.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß die magnetische Induktion entlang des Positionierweges einen linearen Verlauf aufweist, daß aus den beiden Induktions-Meßsignalen ein Differenzsignal gebildet wird, und daß aus dem Differenzsignal und einem der Induktions-Meßsignale ein Quotient ermittelt wird. Durch Einsetzen der Geradengleichung f(x) = m.x, wobei m die stör größenbehaftete Steigung der Geraden beschreibt, in Gleichung (3) beziehungsweise (3a) und Auflösung nach x1 ergibt sich die Gleichung

Die Ermittlung des Positionssignals x1 ist so auf besonders einfache Art und unabhängig von der die Störgrößen beschreibenden Steigung des linearen Induktionsverlaufes möglich. Die Verknüpfung der Meßsignale kann jedoch auch auf jede andere Art beziehungsweise in anderer Reihenfolge erfolgen, die durch Umstellen der Gleichung (6) mathematisch beschrieben werden kann.

Wenn der Abstand Δx zwischen beiden Meß-Positionen gleich Eins beziehungsweise gleich einer Längeneinheit, beispielsweise 1 mm, ist, kann die Positionsermittlung auch ohne Multiplikation mit dem Abstand Δx erfolgen. Der Quotient aus einem der Induktions-Meßwerte und der Differenz beider Induktions-Meßwerte stellt dann direkt die Entfernung der Meß-Position von dem Referenzpunkt entlang dem Positionierweg in der betreffenden Längeneinheit, beispielsweise in mm, dar.

Bezüglich der Vorrichtung des Positionsgebers besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß zusätzlich zu dem ersten Sensor ein zweiter, mit der Auswerteeinrichtung verbundener, magnetfeld empfindlicher Sensor vorgesehen ist, der in Richtung des Positionier weges mit vorgegebenem Abstand zu dem ersten Sensor angeordnet ist, und daß die Auswerteeinrichtung zur Bildung eines Positionssignals aus den Induktions-Meßwerten beider Sensoren sowie dem Abstand der Sensoren zueinander ausgebildet ist.

Wie bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann durch die von den Koeffizienten des Induktionsver laufs unabhängige und somit störgrößenunabhängige Ermittlung des Positionssignals eine hohe und langzeitstabile Meßgenauigkeit erreicht werden. Da die Positionsbestimmung unabhängig vom Temperaturkoeffizienten des Magneten erfolgt, kann dieser aus kostengünstigen Materialien, beispielsweise Eisen (Fe) oder Neodym- Eisen-Bor-Verbindungen (NdFeB), bestehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Induktion des Magnetfeldes entlang des Positionierwegs einen linearen Verlauf hat. Gemäß Gleichung (6) kann dabei die gesuchte Position unabhängig von der stör größenbehafteten Steigung der Geraden erfolgen, wobei ein einfacher Aufbau der Auswerteeinrichtung möglich ist.

Es sind jedoch auch andere Induktions-Verläufe möglich. Beispiels weise kann die Induktion des Magnetfelds entlang dem Positionierweg einen sinusförmigen, sich über maximal eine Periode erstreckenden Verlauf haben. Durch die Beschränkung des Induktionsverlaufs auf maximal eine Sinus-Periode ist eine eindeutige Positions bestimmung möglich.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs einen durch eine Polynom- Funktion beschreibbaren Verlauf hat, wobei die einzelnen Funktions- Glieder der Polynom-Funktion gleiche Koeffizienten haben. Gemäß Gleichung (3) beziehungsweise (3a) können die die Störgrößen beschreibenden Koeffizienten der einzelnen Funktionsglieder eliminiert werden, wenn diese gleich sind, so daß auch bei diesen Feldverläufen eine Ermittlung des Positionssignals unabhängig von den störgrößenbehafteten Koeffizienten der Funktionsgleichung möglich ist.

Eine entsprechende Positionssignal-Ermittlung ist auch möglich, wenn die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs einen durch ein Polynom zweiten oder höheren Grades beschreibbaren Verlauf hat, wobei die einzelnen Polynom-Glieder gleiche Koeffizienten haben. Die Funktionsgleichung für den Induktionsverlauf ist dabei durch ein Polynom der Form f(x) = a.xⁿ + a.x^n-1 + . . . + a.x gegeben.

Es ist auch möglich, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs einen durch ein eingliedriges Polynom n-ten Grades der Form f(x) = a.xⁿ beschreibbaren Verlauf hat, wobei n beliebig gebrochen rational sein kann.

Wie bereits bei der Herleitung der Gleichung (3a) gezeigt, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung zur Bildung des Positions signals entsprechend einer Gleichung, die aus einem Quotienten aus der den Induktionsverlauf beschreibenden Funktionsgleichung für das Induktions-Meßsignal des ersten Sensors sowie der Differenz der beiden Funktionsgleichungen für die beiden Sensor-Meßsignale hergeleitet ist, ausgebildet ist.

Zweckmäßig ist es, wenn bei der Ermittlung des Positionssignals der Induktionsverlauf zwischen den beiden Meß-Positionen x1 und x2 durch ein Geradenstück approximiert wird. Die Auswerteeinrichtung kann hierfür zur Bildung des Positionssignals entsprechend einer Gleichung, die aus einem Quotienten aus der den Induktionsverlauf beschreibenden Funktion sowie der ersten Ableitung dieser Funktion hergeleitet ist, ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung kann dadurch vereinfacht werden. Beispielsweise ergibt sich bei einem durch eine eingliedrige Funktion n-ten Grades f(x) = a.xⁿ beschreibbaren Induktionsverlauf aus Gleichung (5)

Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Position x1 möglich.

Um die Meßungenauigkeit durch die Geradenapproximation gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der beiden Sensoren zueinander klein ist gegenüber der Länge des Positionierweges, insbesondere kleiner ist als 10% der Länge des Positionierweges.

Die Meßgenauigkeit wird erhöht, wenn der Abstand der Sensoren zueinander kleiner als 5% der Länge des Positionierweges ist beziehungsweise wenn der Abstand der Sensoren zueinander kleiner als 1% der Länge des Positionierweges ist.

Es ist zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung ein Speicherelement zum Speichern des Abstandes der Sensoren aufweist.

Es kann zudem zweckmäßig sein, wenn dem Speicherelement zum Speichern des Abstandes der Sensoren eine Eingabeeinheit zum Eingeben des Abstandes zugeordnet ist, und/oder wenn der Abstand der Sensoren zueinander einstellbar ist. Mit der Eingabeeinheit können beispielsweise Fertigungstoleranzen des Sensoren-Abstandes abgeglichen werden. Der Abstand der beiden Sensoren zueinander kann auch veränderbar sein, und der jeweilige Abstandswert kann mit der Eingabeeinheit eingestellt werden. Das Eingeben des Abstandswertes kann dabei manuell, beispielsweise über ein Potentiometer oder eine Tastatur, oder automatisch, beispielsweise durch eine elektronische Kopplung zwischen einer Verstellvorrichtung für die Sensoren und dem Speicherelement, erfolgen. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der in dem Speicherelement ein fester Abstandswert abgespeichert ist, und die Sensoren sind in ihrem Abstand zueinander einstellbar, um Fertigungstoleranzen auszugleichen und den tatsächlichen Abstand der Sensoren zueinander an den abgespeicherten Abstandswert anzugleichen.

Allgemein betragen die elektrischen Spannungen an den Signalausgängen der Sensoren

V_out1 = S1.B1 + V₀1 (8)

und

V_out2 = S2.B2 + V₀2 (9),

wobei S1, S2 die Sensitivitäten und V₀1, V₀2 die Offsetspannungen der Sensoren im feldfreien Raum sind. Es ist zweckmäßig, wenn den Sensoren ausgangsseitig jeweils eine Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere zur Offsetkompensation, zugeordnet ist. Die Offset spannungen V₀1, V₀2 lassen sich so durch an sich bekannte Techniken, insbesondere dynamische Offsetkompensation oder Zerhacker stabilisierung, auch über Temperatur vernachlässigbar klein halten. Durch geeignete Wahl der Sensoren kann zudem erreicht werden, daß die Sensitivitäten S1, S2 für praktische Meßzwecke gleich sind.

Aus den Gleichungen (4), (5) und (6) und mit V₀1, V₀2 ≈ 0 sowie S1 = S2 folgt bei einem linearen Induktionsverlauf

und für einen nichtlinearen Induktionsverlauf

Die Auswertung der Meß-Signale entsprechend der Gleichung (10, 11) kanü bevorzugt mit einer Auswerteeinrichtung erfolgen, die einen eingangsseitig mit den Signalausgängen beider Sensoren verbundenen Differenzbildner sowie einen Quotientenbildner, der Signaleingänge für das Ausgangssignal einer der Sensoren und das Differenzsignal hat, aufweist. Wenn Δx gleich einer Längeneinheit, beispielsweise 1 mm, ist, dann liefert der Ausgang des Quotientenbildners direkt die gesuchte Positionsinformation in der gewählten Längeneinheit, beispielsweise in Millimetern.

Um auch andere Abstandswerte Δx zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteeinrichtung einen Produktbildner aufweist, der Signaleingänge für den Ausgang des Speicherelementes und den Ausgang des Quotientenbildners sowie einen Signalausgang für das Positions signal hat. Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß die Auswerteeinrichtung einen Produktbildner aufweist, der Signal eingänge für den Ausgang des Speicherelementes und das Ausgangs signal einer der Sensoren hat, und dessen Signalausgang mit einem Eingang des Quotientenbildners verbunden ist. Der jeweilige, gegebenenfalls einstellbare Abstandswert kann so in die Auswertung der Meßsignale einbezogen werden.

Prinzipiell ist für die Auswerteeinrichtung jede Anordnung von Quotienten-, Produkt-, Summen-, Differenzbildnern und/oder weiterer Signalverarbeitungsgliedern möglich, die durch Umformen der Gleichung (6) beziehungsweise (10, 11) mathematisch beschrieben werden kann.

Um eine besonders präzise Positionsbestimmung zu ermöglichen und insbesondere um Sensoren mit nahezu gleichen Sensitivitäten S1, S2 zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoren und gegebenenfalls die Auswerteeinrichtung als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgebildet sind. Dadurch sind zudem Positionsgeber kleiner Baugröße möglich, die auch in Systemen mit begrenztem Platz eingesetzt werden können. Der Sensor-zu-Sensor- Abstand ist darüber hinaus technologiebedingt höchst exakt und präzise reproduzierbar.

Die Sensoren können insbesondere magnetoresistive Sensoren oder Hallelemente sein.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß der Positionierweg eine geschlossene Strecke ist. Beispielsweise kann der Magnet am Umfang eines einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden, drehbar gelagerten Element, beispielsweise einem Geberrad oder einer Nockenwelle angeordnet sein. Der Positionierweg ist dabei eine Kreisbahn, innerhalb der die Sensoren angeordnet sind. Dabei kann zusätzlich zur Positions bestimmung bei zyklischem Durchlaufen des Positionierwegs die Drehfrequenz bestimmt werden, indem die Anzahl der Durchläufe durch eine oder mehrere Referenz-Position(en) pro Zeiteinheit ermittelt wird.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Induktionsverlauf entlang dem geschlossenen Positionierweg an wenigstens einer Referenz-Position zumindest eine sprungartige Werteänderung aufweist. Beim Durchlaufen der Referenz-Positionen entstehen am Ausgang der Auswerteeinrichtung Signal-Flanken, aufgrund der das Erreichen der Referenz-Positionen eindeutig erkannt werden kann. Durch die störgrößenunabhängige Positionsbestimmung treten die Signal-Flanken bezogen auf den Positionierweg stets an den gleichen Positionen auf, so daß eine präzise, jitterfreie Drehfrequenzermittlung sowie präzise, durch die Signal-Flanken ausgelöste Schaltvorgänge möglich sind.

Es kann zudem zweckmäßig sein, wenn der Auswerteeinrichtung eine Komparatorschaltung zur Digitalisierung des Positionssignals zugeordnet ist. Beispielsweise kann bei einem linearen Induktionsver lauf der Komparator seinen Ausgang beim Erreichen des entlang dem Positionierweg maximalen Meßwertes auf einen High-Pegel schalten. Durch die sprungartige Induktions-Werteänderung schaltet der Komparator-Ausgang wieder auf einen Low-Pegel um, so daß am Komparator-Ausgang ein kurzer Steuer-Impuls anliegt, der bei zyklischem Durchlaufen des Positionierwegs phasenkonstant auftritt. Mit dem Steuer-Impuls kann beispielsweise ein Schaltvorgang ausgelöst werden, wodurch der erfindungsgemäße Positionsgeber als zuverlässiger und verschleißfreier Ersatz für einen mechanischen Schalter einsetzbar ist, oder der Steuer-Impuls kann zur Frequenz messung verwendet werden.

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Positionsgeber anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Positionsgeber mit einem Magneten mit kreisförmi gem Querschnitt, der relativ zu zwei magnetfeldempfindli chen Sensoren drehbar ist,

Fig. 2 einen Positionsgeber mit einem stabförmigen Magneten, der relativ zu zwei magnetfeldempfindlichen Sensoren längsverschiebbar ist, wobei die Sensoren seitlich zu der Verschiebeachse des Magneten beabstandet sind,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der magnetischen Induktion der Magneten aus Fig. 1 und 2 entlang des Positionierwe ges für die Sensoren, wobei der Positionierweg auf der Abszisse und die Induktion auf der Ordinate aufgetragen ist,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Positions gebers,

Fig. 5 einen Positionsgeber mit einem stabförmigen Magneten, der relativ zu zwei magnetfeldempfindlichen Sensoren längsverschiebbar ist, wobei die Sensoren auf der Verschiebeachse des Magneten angeordnet sind, und

Fig. 6 einen Positionsgeber mit einem wendelförmigen Magneten, der auf einem stabartigen, drehbar und in Axialrichtung längsverschiebbar gelagerten Träger angeordnet und relativ zu zwei magnetfeldempfindlichen Sensoren schraubenartig positionierbar ist.

Ein im ganzen mit 1 bezeichneter Positionsgeber weist gemäß Fig. 1 einen zylindrischen Magneten 2 sowie zwei im Magnetfeld des Magneten 2 angeordnete, magnetfeldempfindliche Sensoren 3a, 3b auf. Die Sensoren 3a, 3b sind ortsfest angeordnet und der Magnet 2 ist um eine Mittelachse 4 gemäß dem Doppelpfeil Pf1 drehbar gelagert. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 4 weist der Positionsgeber 1 einen stabförmigen Magneten 2 auf, der in Richtung des Doppelpfeiles Pf2 längsverschiebbar ist.

Durch Messung der magnetischen Feldstärke beziehungsweise der Induktion des Magnetfeldes an den Sensoren 3a, 3b kann die jeweilige Stellposition des Magneten 2 beziehungsweise die Position der Sensoren 3a, 3b innerhalb des Magnetfeldes ermittelt werden.

Der Magnet 2 ist dazu beispielsweise derart magnetisiert, daß die Induktion B und somit auch die Feldstärke seines Magnetfeldes zumindest entlang einem dem Magneten 2 fest zugeordneten Positionierweg 5, entlang dem die Sensoren 3a, 3b bei der Relativbewegung zwischen Magnet 2 und Sensoren 3a, 3b angeordnet sind, einen linearen, nichtkonstanten Verlauf hat (Fig. 3). Die Steigung m des linearen Feldstärke- beziehungsweise Induktionsver laufs kann bei der Herstellung des Magneten durch das Material des Magneten 2 sowie Art und Stärke der Magnetisierung festgelegt werden. Durch Einflüsse wie beispielsweise Temperaturdrift, Luftspalt änderungen zwischen Magnet und Sensoren, Alterung oder Parameter drifts kann sich die Steigung m jedoch ändern, so daß der tatsächliche Wert der Steigung m nicht bekannt ist.

Durch die Messung der magnetischen Induktion B mit zwei Sensoren 3a, 3b, die in Richtung des Positionierweges 5 um einen vorgegebenen Abstand Δx zueinander beabstandet angeordnet sind, kann die jeweilige Position x1 einer der Sensoren 3a entlang dem Positionierweg 5 und gegebenenfalls die Position x2 des zweiten Sensors 3b, mit einer mit den Sensoren 3a, 3b verbundenen Auswerteeinrichtung 6 (Fig. 4), unabhängig von der störgrößenbehafteten Steigung m des linearen Feldstärkeverlaufs - oder näherungsweise für nichtlineare Feldstärkeverläufe -, entsprechend den vorbeschriebenen Gleichungen (1) bis (11), ermittelt werden.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Positionsgebers 1 mit zwei Sensoren 3a, 3b und einer Auswerteein richtung 6. Die Ausgänge 7a, 7b der Sensoren 3a, 3b sind jeweils mit einer Signalaufbereitungsschaltung 8a, 8b verbunden, in denen aus den gemessenen magnetischen Induktionen B1, B2 jeweils ein Spannungswert V_out1, V_out2 ermittelt und eine Offsetkompensation durchgeführt wird. Die Signalaufbereitungsschaltungen 8a, 8b können auch Bestandteil der Sensoren 3a, 3b sein. Die Ausgänge 9a, 9b der Signalaufbereitungsschaltungen 8a, 8b sind jeweils mit Signal eingängen 10a, 10b eines Differenzbildners 11 verbunden. Der Differenzbildner 11 bildet ein Differenzsignal V_out2 - V_out1, das dem Eingang 13b einer Arithmetikeinheit 14 zugeführt wird. Der Signalausgang 9a der Signalaufbereitungsschaltung 8a ist über einen Signaleingang 13a ebenfalls mit der Arithmetikeinheit 14 verbunden. Die Arithmetikeinheit 14 weist einen Quotientenbildner 15, einen Produktbildner 16 sowie ein Speicherelement 17 für den Abstand Δx der Sensoren 3a, 3b auf. Mit der Arithmetikeinheit 14 wird zum Beispiel gemäß Gleichung (10, 11) die Positionsinformation für die gesuchte Sensoren-Position x1 des Sensors 3a ermittelt, die an einem Signalausgang 18 anliegt und einer nachgeordneten Schaltung, beispielsweise einem Regelkreis oder einer Anzeigeeinheit, zugeführt werden kann. Die Positionsinformation kann über eine analoge oder eine digitale Schnittstelle ausgegeben werden.

Da die Ermittlung der Sensoren-Position x1 unabhängig von der störgrößenbehafteten Steigung m des Feldstärke- oder Induktions verlaufs erfolgt, ist eine besonders präzise und langzeitstabile Positionsermittlung möglich. Die Positionsinformation ist zudem bezogen auf einen bestimmten Punkt entlang dem Positionierweg, an dem die magnetische Feldstärke beziehungsweise die Induktion gleich Null ist, so daß bezüglich des Magnet-Sensor-Systems stets eine absolute Positionsinformation ermittelt wird, unabhängig von der Magnet-Sensor-Konstellation im Einschaltzustand des Positions gebers 1.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist der Positionierweg 5 durch Rotation des Magneten 2 zyklisch durchlaufbar. Beim Übergang von der Position x_M mit dem entlang dem Positionierweg 5 maximalen Induktionswert (Fig. 3) zur Position x₀ mit dem minimalen Induktionswert entsteht am Ausgang 18 der Auswerteeinrichtung 6 (Fig. 4) eine Signal-Flanke, die beispielsweise zur Auslösung eines Schaltvorganges oder zur Drehfrequenz-Bestimmung einer nach geordneten, nicht dargestellten Schaltung zugeführt werden kann. Da am Ausgang 18 der Auswerteeinrichtung 6 ein störgrößenunabhängiges Positionssignal anliegt, ist auch die Signal-Flanke störgrößen unabhängig und bezogen auf den Positionierweg 5 stets konstant an der gleichen Position x_M. Somit ist eine präzise Drehfrequenz bestimmung oder ein präziser Schaltvorgang an stets derselben Position x_M möglich.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verläuft der Positionierweg 5 konzentrisch zur Mittelachse 4 des zylindrischen Magneten 2 in einer orthogonal zur Mittelachse 4 angeordneten Ebene. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft der Positionierweg 5 parallel und mit Abstand zur Längsachse des stabförmigen Magneten 2. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verläuft der Positionier weg 5 auf der in Richtung des Magnetfelds verlaufenden Mittelachse des etwa stabförmigen Magneten 2 bzw. auf der Verlängerung dieser Mittelachse. Dabei sind die Sensoren 3a, 3b in Richtung der Mittelachse zueinander versetzt und mit ihrer Detektionsrichtung etwa parallel der Mittelachse des Magneten 2 angeordnet. Der Magnet 2 ist in Richtung seiner Mittelachse relativ zu den vorzugsweise ortsfest angeordneten Sensoren 3a, 3b bewegbar, d. h. der Magnet 2 bewegt sich beim Positionieren entlang des Positionierweges 5 mit seinem den Sensoren 3a, 3b zugewandten Magnetpol auf die Sensoren 3a, 3b zu oder von diesen weg. Die Sensoren 3a, 3b können als monolithisch integrierter Baustein ausgebildet sein, wobei einer der Sensoren als burried Layer in das Substrat des monolithisch integrierter Baustein eingelassen sein kann.

Bei dem Positionsgeber 1 gemäß Fig. 6 ist ein wendelförmiger Magnet 2 vorgesehen, der um einen stabartigen Träger 19 gewickelt ist. Für den Magneten 2 kann beispielsweise ein flexibles Magnetband verwendet werden, um ein einfaches Umwickeln des Trägers 19 zu ermöglichen und die Herstellung zu vereinfachen.

Der stabartige Träger 19 ist schraubenartig um eine Längsachse 20 drehbar gelagert (Pf3), wobei mit der Drehbewegung gleichzeitig eine Längsverschiebung (Pf4) durchgeführt wird. Zur Durchführung dieser Schraubenbewegung kann eine, in Fig. 6 nicht dargestellte, Spindelmutter vorgesehen sein, in die der Träger 19 mit dem wendelförmigen Magneten eindrehbar ist. Dadurch wird der Magnet 2 wie ein Schraubengewinde an den im Magnetfeld des Magneten 2 hintereinander angeordneten Sensoren entlanggeführt. Da die Sensoren mit geringem Abstand zueinander entlang dem schraubenartigen Positionierweg angeordnet sind, ist in der Seitenansicht gemäß Fig. 6 nur einer der Sensoren 3a sichtbar. Der zweite Sensor ist praktisch hinter dem ersten Sensor 3a und von diesem verdeckt angeordnet. Gegebenenfalls können die Sensoren mit der Spindelmutter verbunden sein, um deren Position zu fixieren.

Es ist auch möglich, die Sensoren in einer schraubenartigen Bewegung um den Träger 19 mit dem Magneten 2 herumzubewegen, wobei der Träger 19 selbst stillstehen kann oder zusätzlich zu der Bewegung der Sensoren eine Dreh- und/oder Vorschubbewegung ausüben kann.

Die Induktion kann entlang dem wendelartigen Positionierweg beispielsweise einen linearen oder einen sonstigen, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren, nicht periodischen Verlauf aufweisen. Durch den wendelförmigen Magneten 2 kann bei geringem Platzbedarf für den Positionsgeber 1 ein vergleichsweise langer Positionierweg durchlaufen werden und es ist möglich, Drehbewegungen von über 360°, insbesondere Mehrfach-Umdrehungen, zu erfassen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Position entlang eines innerhalb eines Magnetfeldes verlaufenden Positionierwegs (5), wobei das Magnetfeld entlang dem Positionierweg (5) einen nicht konstanten, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren magnetischen Induktionsverlauf aufweist, und wobei zur Positionsbestimmung die Induktion an einer Meß-Position gemessen und aus dem Induktions-Meßsignal mit Hilfe der Funktionsgleichung ein Positionssignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion an zwei unter schiedlichen Meß-Positionen (x1, x2) des Positionierweges (5) gemessen wird und daß aus den beiden Induktions-Meßsignalen sowie dem Abstand (Δx) der beiden Meß-Positionen (x1, x2) zueinander das Positionssignal (x1) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung des Positionssignals (x1) der Induktionsverlauf zwischen den beiden jeweiligen Meßpositionen (x1, x2) durch einen linearen Induktionsverlauf approximiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Induktion entlang des Positionierweges (5) einen linearen Verlauf aufweist, daß aus den beiden Induktions- Meßsignalen ein Differenzsignal gebildet wird, und daß aus dem Differenzsignal und einem der Induktions-Meßsignale ein Quotient ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eines der Induktions-Meßsignale oder das Quotientensignal zum Ermitteln der Position (x1) multiplikativ mit einem dem Abstand (Δx) der beiden Meß-Positionen (x1, x2) entsprechenden Abstandssignal verknüpft wird.

5. Positionsgeber (1) mit einem Magneten (2) und einem innerhalb von dessen Magnetfeld angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensor, wobei dem Magneten (2) ein Positionierweg (5) für den Sensor zugeordnet ist, entlang dem die Position des Sensors zum Magneten (2) durch Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Magneten (2) veränderbar ist und wobei die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen nichtkonstanten, durch eine Funktionsgleichung beschreibbaren Verlauf hat, und wobei der Sensor mit einer Auswerteeinrichtung (6) zur Ermittlung der Position des Sensors entlang dem Positionierweg (5) aus dem Induktionssignal verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem ersten Sensor (3a) ein zweiter, mit der Auswerteeinrichtung (6) verbundener, magnetfeldempfindlicher Sensor (3b) vorgesehen ist, der in Richtung des Positionierweges (5) mit vorgegebenem Abstand (Δx) zu dem ersten Sensor (3a) angeordnet ist, und daß die Auswerteeinrichtung (6) zur Bildung eines Positionssignals aus den Induktions-Meßwerten beider Sensoren (3a, 3b) sowie dem Abstand (Δx) der Sensoren (3a, 3b) zueinander ausgebildet ist.

6. Positionsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen linearen Verlauf hat.

7. Positionsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen sinusförmigen, sich über maximal eine Periode er streckenden Verlauf hat.

8. Positionsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen durch eine Polynom-Funktion beschreibbaren Verlauf hat, wobei die einzelnen Funktions-Glieder der Polynom-Funktion gleiche Koeffizienten haben.

9. Positionsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen durch ein Polynom zweiten oder höheren Grades be schreibbaren Verlauf hat, wobei die einzelnen Polynom-Glieder gleiche Koeffizienten haben.

10. Positionsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktion des Magnetfelds entlang des Positionierwegs (5) einen durch ein eingliedriges Polynom n-ten Grades be schreibbaren Verlauf hat.

11. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) zur Bildung des Positionssignals entsprechend einer Gleichung, die aus einem Quotienten aus der den Induktionsverlauf beschreibenden Funktionsgleichung für das Induktions-Meßsignal des ersten Sensors (3a) sowie der Differenz der beiden Funktions gleichungen für die beiden Sensor-Meßsignale hergeleitet ist, ausgebildet ist.

12. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung zur Bildung des Positionssignals entsprechend einer Gleichung, die aus einem Quotienten aus der den Induktionsverlauf beschreibenden Funktion sowie der ersten Ableitung dieser Funktion hergelei tet ist, ausgebildet ist.

13. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Δx) der beiden Sensoren (3a, 3b) zueinander klein ist gegenüber der Länge des Positionier weges (5), insbesondere kleiner ist als 10% der Länge des Positionierweges (5).

14. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Δx) der Sensoren (3a, 3b) zueinander kleiner als 5% der Länge des Positionierweges (5) ist.

15. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Δx) der Sensoren (3a, 3b) zueinander kleiner als 1% der Länge des Positionierweges (5) ist.

16. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) ein Speicher element (17) zum Speichern des Abstandes (Δx) der Sensoren (3a, 3b) aufweist.

17. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicherelement (17) zum Speichern des Abstandes (Δx) der Sensoren (3a, 3b) eine Eingabeeinheit zum Eingeben des Abstandes (Δx) zugeordnet ist, und/oder daß der Abstand (Δx) der Sensoren (3a, 3b) zueinander einstellbar ist.

18. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensoren (3a, 3b) ausgangsseitig jeweils eine Signalverarbeitungseinrichtung (8a, 8b), insbesondere zur Offsetkompensation, zugeordnet ist.

19. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) einen eingangsseitig mit den Signalausgängen beider Sensoren (3a, 3b) verbundenen Differenzbildner (11) sowie einen Quotienten bildner (15), der Signaleingänge für das Ausgangssignal einer der Sensoren (3a) und das Differenzsignal hat, aufweist.

20. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) einen Produktbildner (16) aufweist, der Signaleingänge für den Ausgang des Speicherelementes (17) und den Ausgang des Quotientenbildners (15) sowie einen Signalausgang (18) für das Positionssignal hat.

21. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) einen Produktbildner (16) aufweist, der Signaleingänge für den Ausgang des Speicherelementes (17) und das Ausgangssignal einer der Sensoren (3a) hat, und dessen Signalausgang mit einem Eingang des Quotientenbildners (15) verbunden ist.

22. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (6) einen Mikroprozessor aufweist.

23. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a, 3b) und gegebenenfalls die Auswerteeinrichtung (6) als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgebildet sind.

24. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (3a, 3b) Hallelemente sind.

25. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierweg (5) eine geschlossene Strecke ist.

26. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsverlauf entlang dem geschlossenen Positionierweg (5) an wenigstens einer Referenz- Position (x₀, x_M) eine sprungartige Werteänderung aufweist.

27. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteeinrichtung (6) eine Kompara torschaltung zur Digitalisierung des Positionssignals zugeordnet ist.

28. Positionsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) wendelartig oder schrauben artig ausgebildet ist und insbesondere aus einem flexiblen, um einen stabartigen Träger gewickelten Magnetband besteht.