DE9212158U1 - Arrangement for detecting the throttle valve position in an internal combustion engine with Hall elements - Google Patents
Arrangement for detecting the throttle valve position in an internal combustion engine with Hall elementsInfo
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Description
G 1 5 9 3 OEG 1 5 9 3 OE
Siemens AktiengesellschaftSiemens AG
Anordnung zur Erfassung der Drosselklappenstellung in einem Verbrennungsmotor mit Hall-ElementenArrangement for detecting the throttle valve position in an internal combustion engine using Hall elements
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Drosselklappenstellung in einem Verbrennungsmotor mit Hall-Elementen nach dem Oberbegriff des PatentanspruchesThe invention relates to an arrangement for detecting the throttle valve position in an internal combustion engine with Hall elements according to the preamble of the patent claim
Ein Drosselklappen-Winkelsensor für Verbrennungsmotoren ist in der DE 38 26 408 Al beschrieben. Hier wird ein Drosselklappenwinkelsensor für Verbrennungsmotoren mit einem an einem Ende der Drosselklappenwelle angebrachten Permanentmagneten beschrieben, der einen parallelen magnetischen Fluß erzeugt, dessen Richtung in Abhängigkeit von der Drehung der Drosselklappenwelle gedreht wird. Hierbei ist im wesentlichen parallel zu der Hauptrichtung des außen verlaufenden magnetischen Flusses des Permanentmagneten und in einem Abstand von dem Permanentmagneten ein magnetisch empfindliches Element, wie z.B. ein Hall-Element angeordnet, mittels dessen die Änderung der magnetischen Flußdichte als Folge der Drehung des Permanentmagneten gemessen wird. Die gemessene Änderung der magnetischen Flußdichte wird hierbei über einen verstärkenden elektrischen Stromkreis in eine entsprechende Änderung eines elektrischen Signales umgewandelt.A throttle valve angle sensor for internal combustion engines is described in DE 38 26 408 A1. This describes a throttle valve angle sensor for internal combustion engines with a permanent magnet attached to one end of the throttle valve shaft, which generates a parallel magnetic flux, the direction of which is rotated depending on the rotation of the throttle valve shaft. A magnetically sensitive element, such as a Hall element, is arranged essentially parallel to the main direction of the external magnetic flux of the permanent magnet and at a distance from the permanent magnet, by means of which the change in the magnetic flux density as a result of the rotation of the permanent magnet is measured. The measured change in the magnetic flux density is converted into a corresponding change in an electrical signal via an amplifying electrical circuit.
Der Ausgangsgröße des magnetisch empfindlichen Elementes ist hierbei üblicherweise eine von dem Magnetfeld unabhängige Gleichgröße, ein sogenannter Offset überlagert. Bei einem Ausgangsstrom handelt es sich hierbei um einen überlagerten Gleichstrom, bei einer Ausgangsspannung um eine überlagerte Gleichspannung. Dieser Offset sowie die Ver-Stärkung und die Linearität von Hall-Elementen schwankenThe output value of the magnetically sensitive element is usually superimposed by a constant value that is independent of the magnetic field, a so-called offset. An output current is a superimposed direct current, an output voltage is a superimposed direct voltage. This offset as well as the amplification and linearity of Hall elements fluctuate.
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sehr stark von Element zu Element und mit der Temperatur. Außerdem ist der Linearitätsbereich von magnetisch empfindlichen Elementen, wie z.B. Hall-Elementen sehr begrenzt, so daß bei einer zuvor beschriebenen, bekannten Anordnung ein aufwendiger Abgleich erforderlich ist und außerdem aufgrund der erwähnten Probleme die Auflösung, d.h. der Dynamikbereich bzw. die Präzision des Meßergebnisses einer solchen Anordnung nicht sehr groß ist. In Anwendungsfällen, in denen eine präzise Geometrieerfassung auch gewährleistet sein soll, wenn kurzzeitige Spannungsausfälle auftreten können, werden daher meistens Präzisionspotentiometer verwendet. Bei diesen treten jedoch Probleme durch Alterung bzw. durch schlechte Kontakte infolge von Verschmutzung oder Korrosion auf.very strongly from element to element and with temperature. In addition, the linearity range of magnetically sensitive elements, such as Hall elements, is very limited, so that a complex adjustment is required for a known arrangement as described above and in addition, due to the problems mentioned, the resolution, i.e. the dynamic range or the precision of the measurement result, of such an arrangement is not very large. In applications in which precise geometry detection must be guaranteed even when short-term power failures can occur, precision potentiometers are therefore usually used. However, these have problems due to aging or poor contacts as a result of contamination or corrosion.
Bei der Erfassung der Drosselklappenstellung in Verbrennungsmotoren ist es erforderlich, die tatsächliche momentane Geometrieerfassung, insbesondere im Fahrzeugbau, jederzeit, auch unmittelbar nach einem kurzzeitigen Versorguangsspannungsausfall oder unmittelbar nach dem Einschalten der Anordnung zur Positionserfassung präzise festzustellen. Dies ist mit einer Anordnung nach der DE 38 26 408 Al prinzipiell möglich. In dem Buch "Halbleitersensoren", Hrsg. Prof. Dr. Ing. W.J. Bartz et al., Expert Verlag werden im Kapitel 6.4 auf Seite 259 ff., insbesondere im Teil 6.4.3 "Analoge Positionserfassung" auf den Seiten 265 bis 267 Positionserfassungsanordnungen prinzipiell beschrieben, wie sie in einer solchen Anordnung einsetzbar sind. Hierbei wird einfach die Hall-Spannung in Abhängigkeit von dem Abstand eines Hall-Elementes von einem beweglichen Permanentmagneten als Abstandskriterium herangezogen. Wie insbesondere im Bild 6.20 auf Seite 625 zu erkennen ist, zeichnet sich eine solche Anordnung jedoch durch einen sehr geringen Bereich mit linearem Zusammenhang zwischen Entfernungsänderung und Magnetfeldänderung aus.When detecting the throttle valve position in combustion engines, it is necessary to precisely determine the actual, current geometry detection, especially in vehicle construction, at any time, even immediately after a brief power failure or immediately after switching on the position detection arrangement. This is possible in principle with an arrangement according to DE 38 26 408 Al. In the book "Semiconductor Sensors", edited by Prof. Dr. Ing. W.J. Bartz et al., Expert Verlag, in chapter 6.4 on page 259 ff., in particular in part 6.4.3 "Analog position detection" on pages 265 to 267, position detection arrangements are described in principle as they can be used in such an arrangement. The Hall voltage is simply used as a distance criterion depending on the distance of a Hall element from a moving permanent magnet. However, as can be seen in particular in Figure 6.20 on page 625, such an arrangement is characterized by a very small area with a linear relationship between the change in distance and the change in the magnetic field.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Anordnung zur Geometrieerfassung mit Hilfe von Hall-Elementen,
bei der die vorgenannten Probleme nicht oder
nur in sehr geringem Maße auftreten.The object of the present invention is to provide an arrangement for geometry detection using Hall elements, in which the aforementioned problems are not or
only occur to a very small extent.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
This task is solved by an arrangement with the
Features of patent claim 1. Favorable embodiments are the subject of subclaims.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung der Drosselklappenstellung enthält eine Vielzahl von Hall-Elementen, die entweder entlang einer Geraden oder entlang einer vorgegebenen Linie in vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind und aus einer Interpolationsschaltung, dieAn arrangement according to the invention for detecting the throttle valve position contains a plurality of Hall elements which are arranged either along a straight line or along a predetermined line at a predetermined distance from one another and consist of an interpolation circuit which
mindestens die analoge Ausgangsgröße von zwei Hall-Elementen interpoliert. Mit einer solchen Anordnung läßt sich
die geometrische Verteilung eines konstanten Magnetfeldes entlang der Hall-Elementekette erfassen. Hierbei werden
die linearen Bereiche der einzelnen Hall-Elemente durchat least the analog output of two Hall elements is interpolated. With such an arrangement,
capture the geometric distribution of a constant magnetic field along the Hall element chain.
the linear ranges of the individual Hall elements by
Interpolation der Ausgangsgrößen der einzelnen Hall-Elemente und in Abhängigkeit von der geometrischen Anordnung
der einzelnen Hall-Elemente zueinander derart überlagert, daß die Gesamtanordnung einen sehr großen Bereich mit
linearem Zusammenhang zwischen der Geometrieänderung des zu erfassenden Magnetfeldes und dem Ausgangssignal derInterpolation of the output values of the individual Hall elements and depending on the geometric arrangement of the individual Hall elements, superimposed on each other in such a way that the overall arrangement covers a very large area with
linear relationship between the geometry change of the magnetic field to be detected and the output signal of the
Gesamtanordnung hat. Ist durch die Gesamtanordnung sichergestellt, daß die von der Hall-Elementeanordnung erfaßte magnetische Induktion eindeutig der relativen geometrischen Anordnung zwischen der Hall-Elementeanordnung undoverall arrangement. Is it ensured by the overall arrangement that the magnetic induction detected by the Hall element arrangement clearly corresponds to the relative geometric arrangement between the Hall element arrangement and
einem Gegenstand, also der Drosselklappenstellung zugeordnet werden kann, so ist jedem Pegel des Ausgangssignales der Interpolationsschaltung eindeutig eine Drosselklappenstellung zuordenbar. Hierbei kann durch Variation der Abstände zwischen einzelnen Hall-Elementen, durch Variationan object, i.e. the throttle valve position, each level of the output signal of the interpolation circuit can be clearly assigned to a throttle valve position. By varying the distances between individual Hall elements, by varying
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des Arbeitspunktes der einzelnen Hall-Elemente sowie durch entsprechende Dimensionierung der Interpolationsschaltung ein linearer Zusammenhang zwischen der zu erfassenden geometrischen Größe und dem Analogwert des Ausgangssignales der Interpolationsschaltung erreicht werden.the operating point of the individual Hall elements and by appropriate dimensioning of the interpolation circuit a linear relationship between the geometric size to be recorded and the analog value of the output signal of the interpolation circuit can be achieved.
Eine Linearisierung des Zusammenhanges zwischen dem zu erfassenden geometrischen Zusammenhang und dem elektrischen Ausgangssignal der Anordnung innerhalb der vorzugsweise monolithisch integrierten Schaltung erleichtert den Aufbau und den Abgleich einer Gesamtanordnung sehr. Es muß lediglich noch sichergestellt werden, daß zwischen dem zu erfassenden geometrischen Zusammenhang, beispielsweise einer Drosselklappenstellung, und der geometrischen Verteilung eines magnetischen Gleichfeldes über der Hall-Elementeanordnung ein linearer Zusammenhang besteht.A linearization of the relationship between the geometric relationship to be recorded and the electrical output signal of the arrangement within the preferably monolithically integrated circuit makes the construction and adjustment of an overall arrangement much easier. It only has to be ensured that there is a linear relationship between the geometric relationship to be recorded, for example a throttle valve position, and the geometric distribution of a constant magnetic field over the Hall element arrangement.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird hierbei die geometrische Anordnung eines magnetischen Gleichfeldes erfaßt. Demgegenüber wird bei bekannten Anordnung eine durch die Geometrieänderung bedingte Änderung der Starke des Magnetfeldes unabhängig von seiner geometrischen Verteilung erfaßt.In an arrangement according to the invention, the geometric arrangement of a constant magnetic field is detected. In contrast, in a known arrangement, a change in the strength of the magnetic field caused by the change in geometry is detected independently of its geometric distribution.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigt:It shows:
Figur 1 in schematischer, perspektivischer Darstellung eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Vorrichtung mit Magnetfeldquelle und einer Anordnung aus einer Vielzahl von Hall-Elementen, die entlang einer im Beispiel geraden Linie angeordnet sind und mit einer Interpolationsschaltung; Figure 1 in a schematic, perspective view an embodiment of an arrangement according to the invention with a device with a magnetic field source and an arrangement of a plurality of Hall elements which are arranged along a straight line in the example and with an interpolation circuit;
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Figur 2a in schematischer Darstellung eine Vielzahl von Hall-Elementen, wie sie in einer Anordnung nach Figur 1 eingesetzt sein kann;Figure 2a shows a schematic representation of a plurality of Hall elements as can be used in an arrangement according to Figure 1;
Figur 2b die Magnetfeldverteilung bzw. die magnetische Induktion B in Abhängigkeit vom Ort, wie sie inFigure 2b shows the magnetic field distribution or the magnetic induction B depending on the location, as shown in
einer Anordnung nach Figur 1 auf die Vielzahl der Hall-Elemente wirkt;
Figur 2c in schematischer Darstellung den ortsabhängigenan arrangement according to Figure 1 acts on the plurality of Hall elements;
Figure 2c shows a schematic representation of the location-dependent
Hall-Spannungsverlauf für die einzelnen Hall-Elemente nach Figur 2a;Hall voltage curve for the individual Hall elements according to Figure 2a;
Figur 3a eine mögliche Ausgestaltungsform einer Interpolationsschaltung für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der jedem Hall-Element ein Differenzverstärker zugeordnet ist;Figure 3a shows a possible embodiment of an interpolation circuit for an arrangement according to the invention in which each Hall element is assigned a differential amplifier;
Figur 3b den Signalverlauf des nichtinvertierenden Ausganges einer Interpolationsschaltung nach Figur 3a sowie die entsprechenden Signalverläufe für die einzelnen Differenzverstärkeranordnungen dieser Interpolationssehaltung;Figure 3b shows the signal waveform of the non-inverting output of an interpolation circuit according to Figure 3a as well as the corresponding signal waveforms for the individual differential amplifier arrangements of this interpolation circuit;
Figur 4 eine weitere mögliche Ausgestaltungsform einer Blende in Verbindung mit einer Abschirmung zur Verwendung in einer Vorrichtung mit Magnetfeldquelle in Figur 1, die geeignet ist, eine lokale Magnetfeldänderung in Longitudinalrichtung in Abhängigkeit von einem Drehwinkel zu bewirken.Figure 4 shows another possible embodiment of a diaphragm in conjunction with a shield for use in a device with a magnetic field source in Figure 1, which is suitable for causing a local magnetic field change in the longitudinal direction depending on an angle of rotation.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausgestaltungsform einer Anordnung zur Erfassung eines geometrischen Zusammenhanges mit einer Vorrichtung Q mit Magnetfeldquelle Mg. Die Magnetfeldquelle Mg ist vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet und stellt in einem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein konstantes flächenverteiltes Magnetfeld mit der magnetischen Induktion B bereit. Die Anordnung nach Figur 1 enthält sechs Hall-Elemente H,, H2, H^, H^, H5 und H6, die entlang einer imFigure 1 shows a schematic representation of an embodiment of an arrangement for detecting a geometric relationship with a device Q with a magnetic field source Mg. The magnetic field source Mg is preferably designed as a permanent magnet and, in an embodiment according to Figure 1, provides a constant area-distributed magnetic field with the magnetic induction B. The arrangement according to Figure 1 contains six Hall elements H,, H 2 , H^, H^, H 5 and H 6 , which are arranged along a
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Ausführungsbeispiel geraden Linie G derart angeordnet sind, daß die Magnetfeldlinien der Magnetfeldquelle Mg im wesentlichen parallel zueinander bezüglich der Hall-Elementeanordnung gerichtet sind. Die Vorrichtung mit Magnetfeldquelle Q hat eine mindestens zwischen der Magnetfeldquelle Mg und der Hall-Elementeanordnung H,... sich erstreckende Abschirmvorrichtung Sch, die im Bereich zwischen der Magnetfeldquelle Mg und der Hall-Elementeanordnung eine vorgegebene Öffnung OP aufweist. Diese Öffnung OP kann von einer Blende BL ganz oder teilweise abgedeckt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, bei entlang einer geraden Linie G angeordneten Hall-Elementen H,...H, ist die Öffnung OP länglich und erstreckt sich parallel zu der geraden Linie G. Die Blende BL ist in Abhängigkeit von der Bewegung eines Gegenstandes EG, dessen relative Lage zu der Hall-Elementeanordnung H,...H, zu erfassen ist, entlang einer Linie, die sich parallel zur geraden Linie G erstreckt, bewegbar. Hierbei ist die Öffnungsbreite der Blende in Longitudinalrichtung abhängig von der Momentanlage der Blende und somit des Gegenstandes EG entlang einer Strecke 1. Bei dieser Anordnung stellt die Vorrichtung Q mit der Magnetfeldquelle Mg in Abhängigkeit von der momentanen Lage des Gegenstandes EG über einem bestimmten Bereich der Vielzahl von Hall-Elementen ein pro Flächeneinheit bzw. Längeneinheit im wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld bereit. Die mit diesem Magnetfeld bzw. der davon abhängigen magnetischen Induktion beaufschlagten Hall-Elemente liefern jeweils eine von der magnetischen Induktion abhängige Hall-Spannung an ihrem Ausgang. Die Ausgänge der einzelnen Hall-Elemente H,, H2...H6 sind an eine Interpolationsschaltung IPS geschaltet. Diese Interpolationsschaltung IPS stellt an einem Ausgang in Abhängigkeit von den Hall-Spannungen der einzelnen Hall-Elemente ein Signal Io bereit. Der Ausgang der Interpolationsschaltung IPS ist mit einem Eingang einer Auswerteschaltung AS ver-Embodiment straight line G are arranged such that the magnetic field lines of the magnetic field source Mg are directed essentially parallel to one another with respect to the Hall element arrangement. The device with magnetic field source Q has a shielding device Sch which extends at least between the magnetic field source Mg and the Hall element arrangement H,... and which has a predetermined opening OP in the area between the magnetic field source Mg and the Hall element arrangement. This opening OP can be completely or partially covered by a diaphragm BL. In the embodiment shown, with Hall elements H,...H arranged along a straight line G, the opening OP is elongated and extends parallel to the straight line G. The diaphragm BL is movable along a line which extends parallel to the straight line G depending on the movement of an object EG whose relative position to the Hall element arrangement H,...H is to be detected. Here, the opening width of the diaphragm in the longitudinal direction depends on the momentary position of the diaphragm and thus of the object EG along a distance 1. In this arrangement, the device Q with the magnetic field source Mg provides a substantially uniform magnetic field per unit area or unit length over a certain area of the plurality of Hall elements depending on the momentary position of the object EG. The Hall elements exposed to this magnetic field or the magnetic induction dependent on it each provide a Hall voltage at their output that is dependent on the magnetic induction. The outputs of the individual Hall elements H,, H 2 ...H 6 are connected to an interpolation circuit IPS. This interpolation circuit IPS provides a signal Io at an output depending on the Hall voltages of the individual Hall elements. The output of the interpolation circuit IPS is connected to an input of an evaluation circuit AS.
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bunden. Die Vielzahl der Hall-Elemente, die Interpolationsschaltung und die Auswerteschaltung sind in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 vorzugsweise in einem einzigen Halbleiterkörper HL integriert. Die Auswerteschaltung AS kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere kann sie einen Analog-Digital-Wandler enthalten.The multitude of Hall elements, the interpolation circuit and the evaluation circuit are preferably integrated in a single semiconductor body HL in the embodiment according to Figure 1. The evaluation circuit AS can be designed differently depending on the application. In particular, it can contain an analog-digital converter.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform einer Vorrichtung mit Magnetfeldquelle für eine Anordnung nach Figur 1. Die Schirmvorrichtung SCH hat hierbei eine schlitzförmige, im wesentlichen längliche Öffnung OP, die zwischen der Magnetfeldquelle (s. Figur 1) und der Hall-Elementeanordnung (s. Figur 1) parallel zur Ausrichtungsgeraden G der Hall-Elemente ausgerichtet ist. Die Blende BLl hat eine besonders gestaltete kurvenförmige Kante K und ist drehbar gelagert in einem Rotationspunkt RP, der sich auf der Mittellinie der Öffnung OP in Längsrichtung befindet. Die Kante K ist derartig geformt, daß eine Dreh-Winkeländerung der Blende BLl zu einer hierzu proportionalen Längenänderung der von der Blende BLl und der Öffnung OP der Schirmvorrichtung freigegebenen Öffnung führt. Die gezeigte Ausgestaltungsform ist geeignet, eine Winkeldrehung von 90° in eine hierzu proportionale Längenänderung umzuwandeln.Figure 4 shows an alternative embodiment of a device with a magnetic field source for an arrangement according to Figure 1. The shielding device SCH has a slot-shaped, essentially elongated opening OP, which is aligned between the magnetic field source (see Figure 1) and the Hall element arrangement (see Figure 1) parallel to the alignment line G of the Hall elements. The aperture BLl has a specially designed curved edge K and is rotatably mounted in a rotation point RP, which is located on the center line of the opening OP in the longitudinal direction. The edge K is shaped in such a way that a change in the angle of rotation of the aperture BLl leads to a proportional change in the length of the opening opened up by the aperture BLl and the opening OP of the shielding device. The embodiment shown is suitable for converting an angular rotation of 90° into a proportional change in length.
Figur 2a zeigt in schematischer Darstellung eine Reihe von entlang einer geraden Linie angeordneten Hall-Elementen. Hierbei ist das erste Element Hl, zwei benachbarte Elemente Hi und Hj und das letzte Element Hn dargestellt. Die Gesamtzahl der Hall-Elemente soll hierbei &eegr; sein, wobei &eegr; eine ganze, positive Zahl größer als 1 ist. In Figur 2a ist für jedes Hall-Element eine Arbeitspunktstromquelle 1Hl' 1Hi^41Hn dar9estellt· Außerdem sind die Ausgangsspannungen der einzelnen Hall-Elemente U,,-,, U,,., UH. und UHn gezeigt.Figure 2a shows a schematic representation of a series of Hall elements arranged along a straight line. The first element Hl, two neighboring elements Hi and Hj and the last element Hn are shown. The total number of Hall elements is η, where η is a positive whole number greater than 1. In Figure 2a, an operating point current source 1 Hl' 1 Hi^ 41 Hn is shown for each Hall element. In addition, the output voltages of the individual Hall elements U,,-,, U,,., U H . and U Hn are shown.
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Figur 2b zeigt den potentiellen Verlauf der magnetischen Induktion über der Hall-Elementeanordnung in Abhängigkeit von der Strecke 1. Hierbei sind die Grenzwerte gestrichelt dargestellt und ein beispielhafter Wert ist in Vollinie gezeigt. Wie zu erkennen ist, wirkt in einer erfindungsgemäßen Anordnung vorzugsweise eine konstante magnetische Induktion längenabhängig auf die Hall-Elementeanordnung.Figure 2b shows the potential course of the magnetic induction over the Hall element arrangement as a function of the distance 1. The limit values are shown in dashed lines and an example value is shown in solid lines. As can be seen, in an arrangement according to the invention, a constant magnetic induction preferably acts on the Hall element arrangement as a function of the length.
Figur 2c zeigt die von den jeweiligen Hall-Elementen Hl, Hi, Hj bzw. Hn bereitgestellten Hall-Spannungen UH,, UH., U|j. bzw. Uj, in Abhängigkeit von der Länge 1 in schematischer Darstellung.Figure 2c shows the Hall voltages U H ,, U H ., U|j. and Uj, respectively, provided by the respective Hall elements Hl, Hi, Hj and Hn as a function of the length l in a schematic representation.
Figur 3a zeigt eine mögliche Ausgestaltungsform einer Interpolationsschaltung IPS zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die gezeigte Interpolationsschaltung sieht für jedes Hall-Element Hl,...Hi,...Hn eine Differenzverstärkerstufe mit einem Spannungssignaleingang und einem Stromsignalausgang vor. Die Stromsignalausgänge der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj sind in einem gemeinsamen Stromknoten zusammengefaßt. Hierbei sind die das positive Ausgangssignal Io.+, Io."1",... führenden Ausgänge der Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... in einem gemeinsamen Stromknoten Oo+ zusamengefaßt und die das negative Stromausgangssignal Io.~, Io.",... führenden Signalausgänge der Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... bilden den gemeinsamen Stromausgang Io~. Die Arbeitspunkte der einzelnen Differenzverstärkerstufen DVi, DVj,... sind jeweils über eine Stromquelle mit einem Strom Io., Io.,... eingestellt. Jede Differenzverstärkerstufe hat einen, vorzugsweise symmetrischen Signaleingang, der mit dem Signalausgang eines einzelnen Hall-Elementes Hl, ...Hi, Hj...Hn zusammengeschaltet ist und somit mit der entsprechenden Hall-Spannung U,.., UH·,... beaufschlagt ist. Für die in Figur 3a gezeigte Anordnung gilt, daß derFigure 3a shows a possible embodiment of an interpolation circuit IPS for use in an arrangement according to the invention. The interpolation circuit shown provides a differential amplifier stage with a voltage signal input and a current signal output for each Hall element Hl,...Hi,...Hn. The current signal outputs of the individual differential amplifier stages DVi, DVj are combined in a common current node. In this case, the positive output signal Io. + , Io." 1 ",... leading outputs of the differential amplifier stages DVi, DVj,... are combined in a common current node Oo + and the signal outputs of the differential amplifier stages DVi, DVj,... leading the negative current output signal Io.~, Io.",... form the common current output Io~. The operating points of the individual differential amplifier stages DVi, DVj,... are each set via a current source with a current Io., Io.,... Each differential amplifier stage has a preferably symmetrical signal input, which is connected to the signal output of an individual Hall element Hl, ...Hi, Hj...Hn and is thus supplied with the corresponding Hall voltage U,.., U H ·,... For the arrangement shown in Figure 3a, the
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Gesamtstrom aller den jeweiligen Arbeitspunkt einstellenden Stromquellen Io., Io.,... konstant ist und den StromTotal current of all current sources Io., Io.,... setting the respective operating point is constant and the current
Io bildet. Der Strom Io setzt sich hierbei zusammen aus den positiven Signalströmen und den negativen Signalströmen, so daß gilt:Io. The current Io is made up of the positive signal currents and the negative signal currents, so that:
£.Io = Üo" + CIo+.£.Io = Üo" + CIo + .
Figur 3b zeigt den Verlauf der einzelnen positiven Stromsignale Io,"1", Io. + , Io. + ,... Io + in einer Anordnung nach Figur 3a sowie den Verlauf des Stromsignales £Jo+ der Gesamtanordnung für den Fall, daß eine gerade Anzahl von Hall-Elementen verwendet wird. Die Darstellung nach Figur 3b ist idealisiert, gibt jedoch weitgehend den Zusammenhang zwischen einem ortsabhängigen Magnetfeld und einem Ausgangssignal einer Interpolationsschaltung IPS für eine erfindungsgemäße Anordnung, wie sie beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist. Die Linearität des Zusammenhanges zwischen Ort und Ausgangssignal kann hierbei durch unterschiedliche Maßnahmen optimiert werden. Einerseits können die Hall-Sensoren in unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet werden oder insgesamt unterschiedlich ausgeführt sein. Außerdem können die Arbeitspunktströme Io,,... Io., Io.,...Io der einzelnen Differenzverstärkerstufe DVi,... einer Interpolationsschaltung unterschiedlich groß sein. Weiterhin können die Differenzverstärker unterschiedliche Geometrie aufweisen. Auch eine Gegenkopplung in den Differenzverstärkern einer Interpolationsschaltung IPS führt zu einer Veränderung des ortsabhängigen Ausgangssignales der Gesamtanordnung. Eine weitere Möglichkeit, eine Interpolationsschaltung auszuführen, besteht darin, kreuzgekoppelte Differenzverstärker zu verwenden, wobei in bipolarer Ausgestaltung jeweils die Basisanschlüsse zweier Transistoren mit unterschiedlich großen Emitterflächen zusammengeschaltet sind und ein Eingangstor der Differenzverstärkerschaltung bilden, wobei darüber hinaus die Emit-Figure 3b shows the course of the individual positive current signals Io," 1 ", Io. + , Io. + ,... Io + in an arrangement according to Figure 3a and the course of the current signal £Jo + of the entire arrangement in the case where an even number of Hall elements is used. The representation according to Figure 3b is idealized, but largely shows the relationship between a location-dependent magnetic field and an output signal of an interpolation circuit IPS for an arrangement according to the invention, as shown for example in Figure 1. The linearity of the relationship between location and output signal can be optimized here by various measures. On the one hand, the Hall sensors can be arranged at different distances from one another or be designed differently overall. In addition, the operating point currents Io,,... Io., Io.,...Io of the individual differential amplifier stages DVi,... of an interpolation circuit can be of different sizes. Furthermore, the differential amplifiers can have different geometries. Negative feedback in the differential amplifiers of an interpolation circuit IPS also leads to a change in the location-dependent output signal of the entire arrangement. Another possibility for implementing an interpolation circuit is to use cross-coupled differential amplifiers, whereby in a bipolar design the base connections of two transistors with emitter areas of different sizes are connected together and form an input port of the differential amplifier circuit, whereby in addition the emitter
6 1 5 9 3 DE6 1 5 9 3 EN
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teranschlüsse der vier eine Differenzverstärkerstufe bildenden Transistoren zusammeengeschaltet sind und über eine Konstantstromquelle an ein Versorgungspotential geschaltet sind und wobei die Kollektoranschlüsse der Transistoren zusammengeschaltet sind, die sich sowohl in der Emitterfläche als auch im Signaleingang unterscheiden.ter connections of the four transistors forming a differential amplifier stage are connected together and are connected to a supply potential via a constant current source, and the collector connections of the transistors are connected together, which differ both in the emitter area and in the signal input.
Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Geometrieerfassung mit Hall-Elementen besteht darin, daß die bei bekannten Anordnungen gegebene Temperaturabhängigkeit und Versorgungsspannungsabhängigkeit des Offset-Signales, der Linearität und der Verstärkung im wesentlichen um einen Faktor verringert werden, der dem Kehrwert der Anzahl der verwendeten Hall-Elemente entspricht.An advantage of an arrangement according to the invention for geometry detection with Hall elements is that the temperature dependence and supply voltage dependence of the offset signal, the linearity and the amplification given in known arrangements are essentially reduced by a factor that corresponds to the reciprocal of the number of Hall elements used.
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| EP0659268A1 (en) | 1995-06-28 |
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