DE10013196A1 - Positionserfassungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Positionserfassungseinrichtung mit einer Sensoranordnung (14) zur Erzeugung wenigstens eines Sensorsignals in Abhängigkeit eines sich vorbeibewegenden Körpers (11) vorgeschlagen, wobei sich das oder die Sensorsignale bei der Vorbeibewegung kontinuierlich verändern. Das wenigstens eine Sensorsignal wird mit wenigstens einem Referenzwert in einer Komparatoranorndung (20) verglichen, wobei Steuermittel zur elektronischen Justierung der Sensoranordnung (14) durch Veränderung des Referenzwerts vorgesehen sind und das Ausgangssignal der Komparatoranordnung (20) das Positionssignal (P) zur Erfassung einer Relativposition von Körpern (11) und Sensoranordnung (14) bildet. Hierdurch kann die Sensoranordnung relativ ungenau mechanisch positioniert werden, und die Feinjustierung kann durch Veränderung des Referenzwerts elektronisch erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionserfassungseinrichtung mit einer Sensoranordnung zur Erzeugung wenigstens eines Sensorsignals in Abhängigkeit eines sich vorbeibewegenden Körpers.

Übliche, beispielsweise aus der DE 195 04 229 A1 bekannte Positionserfassungseinrichtungen, insbesondere zur Posi­ tionserfassung eines Kolbens in einem Zylinder, dienen da­ zu, bei einer oder mehreren bestimmten Kolbenpositionen ein Positionssignal zu erzeugen, durch das Anzeige- und/ oder Steuervorgänge auslösbar sind. Hierzu wird der Kolben mit einem Permanentmagneten versehen, und als Sensoranord­ nung wird ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Hall­ sensor, eingesetzt. Beim Passieren des Permanentmagneten wird im Hallsensor ein sinusartiges Signal erzeugt, das in einem Komparator mit einem vorgegebenen festen Referenz­ wert verglichen wird. Wird dieser Referenzwert erreicht bzw. überschritten, so wird ein Positionssignal ausgelöst. Die Sensoranordnung ist üblicherweise in Längsrichtung verschiebbar angeordnet und kann an beliebigen Positionen fixiert werden. Da das Positionssignal sehr exakt erfaßt werden muß, ist eine aufwendige und exakte Justierung der Sensoranordnung erforderlich.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer derartigen Positionserfassungseinrichtung ein ex­ aktes Positionssignal ohne aufwendige mechanische Justie­ rung zu erzeugen bzw. zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positions­ erfassungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Positionserfassungsein­ richtung besteht insbesondere darin, daß die Sensoranord­ nung nur ungefähr im Bereich der zu erfassenden Position fixiert zu werden braucht, während die exakte Justierung dann rein elektrisch durch Veränderung des Referenzwerts erfolgen kann. Dies ist sogar von der Ferne aus möglich. Diese Justierung kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der sich bewegende Körper, also beispielsweise ein Kolben, in die gewünschte Position gebracht wird, in der ein Positionssignal ausgelöst werden soll, wobei dann der Referenzwert so lange verändert wird, bis das Positions­ signal ausgelöst wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionserfassungseinrichtung möglich.

Eine bevorzugte Ausführung besteht darin, daß der Körper ein Magnetfeld erzeugt oder einen Magneten zur Erzeugung eines solchen Magnetfelds besitzt, und daß die Sensor­ anordnung wenigstens einen Magnetfeldsensor enthält, ins­ besondere einen Hallsensor. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch auch auf andere Meßprinzipien anwendbar, zum Bei­ spiel auf optische, Infrarot- oder ektromagnetische Meß­ verfahren.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Sensor­ anordnung zwei Sensoren, von denen vorzugsweise der eine ein Sinussignal und der andere ein Kosinussignal proportional zur Relativposition von Körper und Sensoranordnung erzeugt, wobei eine Signalaufbereitungsschaltung zur Umwandlung dieser Signale in ein im wesentlichen linear von der Re­ lativposition abhängiges Signal vorgesehen ist. Ein solches Sinussignal und ein Kosinussignal können bei­ spielsweise durch zwei Magnetfeldsensoren erzeugt werden, die in einem Winkel von 45 zueinander angeordnet sind. Durch Überlagerung des Sinussignals und des Kosinussignals kann ein im wesentlichen linear ansteigendes bzw. linear abfallendes Signal erzeugt werden, wobei bei der Umwandlung nicht die absolute Amplitude, sondern nur die Phasenlage maßgebend ist. Damit wird man von Schwankungen der Magnet­ feldstärke durch Toleranzschwankungen und Inhomogenitäten des Magneten sowie vom Temperaturgang des Magneten un­ abhängig.

Als Magnetfeldsensoren sind besonders zwei Hallsensor- Brückenschaltungen geeignet, die als fertige Bauteile im Handel erhältlich sind.

Die Komparatoranordnung weist vorzugsweise einen Fenster­ komparator oder Schmitt-Trigger auf. Hierdurch kann man den Signalbeginn und das Signalende des Positionssignals justieren. Als Steuermittel zur Veränderung des Referenz­ werts eignen sich vor allem ein elektrisch einstellbares Potentiometer oder eine Signalspeichereinrichtung für den Referenzwert, insbesondere ein digitaler Zähler oder ein digitaler Speicher. Diese können entweder im Bereich der Sensoranordnung angeordnet sein und mit dieser eine Bau­ einheit bilden, oder aber sie können auch räumlich ent­ fernt angeordnet sein, wobei die Einstellung der Steuer­ mittel und/oder die Vorgabe des Referenzwerts dann fern­ gesteuert über eine elektrische Leitung, insbesondere einen Bus, oder drahtlos erfolgt. Zur Einstellung der Steuermittel bzw. zur Vorgabe des Referenzwerts kann wenigstens ein manuelles Bedienungselement vorgesehen sein.

Die wenigstens die Komparatoranordnung aufweisende Aus­ werteschaltung kann zusammen mit der Sensoranordnung eine Baueinheit bilden, oder aber diese Auswerteschaltung ist räumlich entfernt von der Sensoranordnung positioniert und insbesondere in einer programmgesteuerten Steuereinheit integriert. Falls eine analoge Komparatoranordnung vorgesehen ist, so müßte das digitale Signal von einer solchen programmgesteuerten Steuereinheit mittels eines D/A-Wandlers in ein analoges Signal umgewandelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einer Sensoranordnung sowie eine damit verbundene Auswerteschaltung als Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

In einem Zylinder 10 ist ein Kolben 11 mit einer Kolben­ stange 12 längsverschiebbar angeordnet. In den Kolben 11 ist ein Permanentmagnet 13 eingesetzt.

An der Zylinderwandung des Zylinders 10 ist eine schema­ tisch dargestellte Sensoranordnung 14 angebracht, die in nicht dargestellter Weise auch längsverschiebbar und in verschiedenen Positionen fixierbar ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch mehrere solcher Sensoranordnungen zur Erfassung mehrerer Kolbenpositionen vorge­ sehen sein. Die Sensoranordnung oder -anordnungen können auch in der Zylinderwandung integriert sein.

Die Sensoranordnung 14 enthält zwei Hallsensoren 15, 16, für die handelsübliche Hallsensor-Brücken verwendet werden können. Diese Hallsensoren 15, 16 sind so positioniert, beispielsweise relativ zueinander um einen Winkel von 45° versetzt angeordnet, daß sie unter Einwirkung des Magnet­ felds des Permanentmagneten 13 beim Passieren desselben zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ausgangs­ signale liefern. Selbstverständlich können auch andere Magnetfeldsensoren, wie Spulen oder dergleichen, einge­ setzt werden, die ebenfalls durch entsprechende Positio­ nierung zwei solche phasenverschobene Ausgangssignale liefern, also ein Sinussignal und ein Kosinussignal.

Passiert der Kolben 11 die Sensoranordnung 14, so liefern die Hallsensoren 15, 16 ein Sinus- und ein Kosinussignal proportional zu der jeweiligen Stellung der Permanent­ magneten 13 zur Sensoranordnung 14. Diese Signale werden einer Auswerteschaltung 17 und dort über einen Eingangs­ verstärker 18 einer Signalaufbereitungsschaltung 19 zugeführt. Anstelle oder zusätzlich zum Eingangsverstärker 18 kann auch noch ein Signalfilter vorgesehen sein.

In der Signalaufbereitungsschaltung 19 werden die beiden Signale in ein lineares Ausgangssignal umgewandelt, ins­ besondere durch Überlagerung des Sinussignals und des Kosinussignals. Daher ist bei der Umwandlung nicht die ab­ solute Amplitude, sondern nur die Phasenlage maßgebend. Dieses lineare Ausgangssignal wird einem Komparator 20 zu­ geführt und dort mit einem veränderbaren Referenzwert ver­ glichen. Bei Signalgleichheit wird ein Positionssignal P als Ausgangssignal erzeugt.

Ist der Komparator 20 als Fensterkomparator bzw. Schmitt- Trigger ausgebildet, so kann der Einschaltzeitpunkt und der Ausschaltzeitpunkt des Positionssignals eingestellt werden, wobei eine einstellbare Hysterese bzw. eine varia­ ble Einschaltschwelle und eine variable Ausschaltschwelle vorgesehen sein können. Bei Bedarf können hierzu zwei unterschiedliche Referenzsignale erzeugt werden.

Das Referenzsignal wird durch ein elektrisch einstellbares Potentiometer 21 erzeugt. Über zwei Tastschalter 22, 23 kann der Referenzwert vergrößert oder verringert werden, wobei selbstverständlich auch andere manuelle Einstell­ mittel möglich sind. Zur Justierung wird die Sensoranord­ nung 14 in eine umgefähre Position gebracht, in der der Kolben 11 bzw. dessen Permanentmagnet 13 ein Positions­ signal erzeugen soll. Der Kolben 11 selbst wird in diejenige Position gebracht, in der er ein Positionssignal auslösen soll. Nun wird durch Betätigung der Tastschalter 22 bzw. 23 der Referenzwert über das Potentiometer 21 nach Bedarf vergrößert oder verringert, bis der Komparator 20 schaltet. Der Referenzwert ist damit justiert. Bei Bedarf können dann noch ein zweiter oder weitere Referenzwerte in entsprechender Weise oder ähnlicher Weise erzeugt werden.

Anstelle oder zusätzlich zu den Tastschaltern 22, 23 kann das Potentiometer 21 auch über eine externe Leitung 24 verändert werden, die an einen Verbindungsanschluß 25 der Auswerteschaltung 17 angeschlossen wird. Mit Hilfe eines solchen externen Signals, das beispielsweise von einer ex­ ternen Steuereinheit erzeugt wird, die eine programmge­ steuerte Steuereinheit sein kann, ist es möglich, das Potentiometer 21 bzw. die gesamte Positionserfassungsein­ richtung ferngesteuert zu justieren.

Anstelle eines einstellbaren Potentiometers 21 kann auch eine Signalspeichereinrichtung treten, beispielsweise ein digitaler Zähler oder ein anderer digitaler Speicher. Der Zählerwert, der den Referenzwert vorgibt, kann ebenfalls mittels der Tastschalter 22, 23 und/oder über die Leitung 24 vorgegeben werden. Dasselbe gilt für einen sonstigen digitalen Speicher, dessen Speicherwert ebenfalls über die Leitung 24 vorgegeben werden kann. Bei einem Zähler oder sonstigen digitalen Speicher ist selbstverständlich noch ein Digital/Analog-Wandler erforderlich, um dem Komparator 20 einen analogen Referenzwert zuführen zu können. Ande­ rerseits kann der Komparator 20 auch als digitaler Kompa­ rator ausgebildet sein, wobei dann in der Signalaufberei­ tungsschaltung 19 ein entsprechendes digitales Sensor­ signal gebildet werden muß.

Die Auswerteschaltung 17 kann zusammen mit der Sensoran­ ordnung 14 eine kompakte, am Zylinder 10 anbringbare Bau­ einheit bilden. Andererseits kann sie auch als externe Baueinheit separat oder in einer externen Steuereinheit integriert angeordnet sein. In diesem Falle können die be­ schriebenen Baugruppen der Auswerteschaltung 17 über­ wiegend auch durch Mikroprozessorfunktionen realisiert werden. Die Veränderung des Referenzwerts kann dann über übliche Bedienungsfunktionen des Rechners erfolgen.

Eine weitere Alternative besteht darin, in der Auswerte­ schaltung 17 anstelle des einstellbaren Potentiometers 21 oder einer Signalspeichereinrichtung den Referenzwert für den Komparator 20 direkt über die Leitung 24 mittels einer externen Steuereinrichtung bzw. eines externen Rechners vorzugeben. Bei der Leitung 24 kann es sich auch um eine Busleitung handeln, wobei dann eventuell erforderliche Busstationen vorgesehen sein müssen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Zylinder- Kolben-Anordnungen beschränkt, sondern vielmehr überall dort einsetzbar, wo beliebige Körper an Sensoranordnungen vorbeibewegt werden. Anstelle der Erfassung von Positionen bei linearer Bewegung sind auch nicht-lineare Bewegungen, zum Beispiel Kreisbewegungen, entsprechend erfaßbar.

Um den Justierbereich für die elektrische bzw. elektroni­ sche Justierung zu vergrößern, kann dieser Einstellbereich auch elektrisch gespreizt werden.

Anstelle der Fernsteuerung des elektrisch einstellbaren Potentiometers 21 oder einer anderen Signalspeicherein­ richtung oder anstelle der Vorgabe des Referenzwerts direkt über die Leitung 24 können diese Vorgänge auch drahtlos erfolgen, beispielsweise über Funk oder Infrarot.

In einer alternativen Ausgestaltung kann die Sensoranord­ nung in der Bewegungsrichtung auch mehrere hintereinander angeordnete gleiche Sensoren oder Sensorkombinationen be­ sitzen. Diese erzeugen daher auch gleiche Signalverläufe, die zeitlich entsprechend der örtlichen Versetzung der Sensoren versetzt sind. An jeder Position liegt daher eine bestimmte Signalkombination dieser Sensoren vor, wobei alle Signalkombinationen durch Abspeicherung der Signal­ verläufe erfaßt werden können. Will man nun eine bestimmte Position erfassen, so werden die für diese Position abge­ speicherten Signale einer entsprechenden Zahl von Kompa­ ratoren als Referenzwerte vorgegeben, so daß die ge­ wünschte Position sehr exakt erfaßt werden kann und Fehler sofort festgestellt werden können. Selbstverständlich können auch Toleranzfenster vorgegeben werden. Zur elek­ tronischen Verstellung der Positionserfassung werden ent­ sprechend andere Kombinationen von Referenzwerten vorge­ geben.

Claims (14)

1. Positionserfassungseinrichtung mit einer Sensor­ anordnung (14) zur Erzeugung wenigstens eines Sensor­ signals in Abhängigkeit eines sich vorbeibewegenden Körpers (11), wobei sich das wenigstens eine Sensorsignal bei der Vorbeibewegung kontinuierlich verändert, mit einer das wenigstens eine Sensorsignal mit wenigstens einem Referenzwert vergleichenden Komparatoranordnung (20), wobei Steuermittel zur elektronischen Justierung der Sensoranordnung (14) durch Veränderung des Referenzwerts vorgesehen sind und das Ausgangssignal der Komparator­ anordnung (20) das Positionssignal (P) zur Erfassung einer Relativposition von Körper (11) und Sensoranordnung (14) bildet.

2. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (11) ein Magnetfeld erzeugt oder einen Magneten (13) zur Erzeugung eines solchen Magnetfelds besitzt, und daß die Sensoranordnung (14) wenigstens einen Magnetfeldsensor (15, 16) enthält, insbesondere einen Hallsensor.

3. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (14) wenigstens zwei Sensoren enthält, deren Signale in einer Signalaufbereitungsschaltung (19) in ein im wesentlichen linear von der Relativposition von Körper (11) und Sensor­ anordnung (14) abhängiges Signal umgesetzt werden.

4. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorsignal ein Sinus­ signal und das andere ein Kosinussignal ist.

5. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetfeldsensoren (15, 16) in einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind.

6. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldsensoren zwei Hallsensor-Brückenschaltungen vorgesehen sind.

7. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoranordnung (20) wenigstens einen Fensterkompara­ tor oder Schmitt-Trigger aufweist, wobei beide Schalt- Referenzwerte veränderbar sind.

8. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (14) in der Bewegungsrichtung mehrere hintereinander angeordnete gleiche Sensoren oder Sensor­ kombinationen besitzt, deren Signale mittels einer ent­ sprechenden Anzahl von Komponenten der Komparatoranordnung (20) mit Referenzwerten verglichen werden, die den Sensor­ signalen an der zu erfassenden Relativposition entsprechen.

9. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel ein elektrisch einstellbares Potentiometer (21) oder eine Signalspeichereinrichtung für den Referenz­ wert, insbesondere einen digitalen Zähler oder digitalen Speicher, aufweisen.

10. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Steuermittel wenigstens ein manuelles Be­ dienungselement (22, 23) vorgesehen ist.

11. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Steuermittel und/oder die Vorgabe des Referenzwerts ferngesteuert über eine elektrische Leitung (24), insbesondere einen Bus, oder drahtlos erfolgt.

12. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenig­ stens die Komparatoranordnung (20) aufweisende Auswerte­ schaltung (17) zusammen mit der Sensoranordnung (14) eine Baueinheit bildet.

13. Positionserfassungseinrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens die Komparatoranordnung (20) aufweisende Auswerteschaltung (17) und/ oder die Steuermittel räumlich entfernt von der Sensoranordnung (14) und insbesondere in einer program­ mierbaren Steuereinheit integriert sind.

14. Positionserfassungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (11) der Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung ist und die Sensoranordnung (14) am Zylinder (10), insbe­ sondere längsverschiebbar, angeordnet oder im Zylinder (10) integriert ist.