Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte)

Diskutiere Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte) im Controller/Regler, Fahrerinformation, Elektronik Forum im Bereich Diskussionen; Hallo Leute, da gelegentlich über die Funktionsweise von Tretsensoren diskutiert wird, möchte ich eine Übersicht zu den beiden digitalen...
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Christian

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Hallo Leute,

da gelegentlich über die Funktionsweise von Tretsensoren diskutiert wird, möchte ich eine Übersicht zu den beiden digitalen Varianten geben. Neben diesen existieren auch noch Sensoren mit analogem Spannungsausgang (ca. 1 bis 4.5 Volt), die von mir hier nicht berücksichtigt werden.

Mein erster Motor/Controller (NC FH 154) wurde mit diesem PAS-Sensor geliefert:



Die Magnete sind auf der zugehörigen Scheibe so angeordnet, dass ihre Magnetisierungsrichtung mit der Drehrichtung der Scheibe zusammenfällt. Meist sind die Magnete daher würfel- bzw. quaderförmig. Die Scheibe wird auf der Tretkurbel befestigt, der Sensor am Rahmen/Tretlager.

Der Sensor kann durch Ausnutzung des Halleffekts die Stärke von Magnetfeldern erkennen. Da dieser Effekt auch bei statischen Magnetfeldern nutzbar ist, unterscheidet er sich wesentlich vom Induktionseffekt einer Spule. Zudem ist der PAS-Sensor nicht mit dem Reedkontakt eines Fahrradtachos verwandt.

Es gibt generell zwei Hauptarten von Hallsensoren:

  • Sensoren mit analogem Ausgang, wie sie beispielsweise im Drehgriff eines Pedelecs eingesetzt werden.
  • Sensoren mit digitalem Ausgang, welcher bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer bestimmten Magnetfeldstärke in jeweils einen von zwei möglichen Zuständen wechselt.

Bei den hier betrachteten PAS-Sensoren finden bipolare digitale Hallsensoren Verwendung. Diese sind nicht nur in der Lage, die Stärke eines Magnetfeldes zu erkennen, sondern auch dessen Vorzeichen. Außerdem verfügen sie zusätzlich über eine Haltefunktion (Latch), so dass sie ihren Ausgangszustand nur beim Überschreiten einer oberen positiven Schwelle bzw. beim Unterschreiten einer unteren negativen Schwelle wechseln.

In der nachfolgenden Skizze ist ein abgerollter Schnitt durch die Magnetebene der Scheibe dargestellt. Diese Skizze ist gegenüber dem obigen Foto somit um 90° in der Horizontalachse gekippt.



Der Hallsensor erkennt lediglich die Stärke bzw. das Vorzeichen der Komponente des Magnetfeldes (blau), die mit seiner Sensorachse (gelb) zusammenfällt. Hier ist dies die y-Komponente. Dreht sich die Magnetscheibe so wie in der Skizze angegeben, dann sieht der Sensor zunächst ein ansteigendes positives Magnetfeld. Dieses erreicht das Maximum und geht durch Null, wenn die Magnetmitte unter der Sensormitte steht. Danach fällt das Magnetfeld weiter auf negative Werte, erreicht das Minimum und nähert sich im weiteren Verlauf wieder langsam der Nullinie. Diese wird dann erreicht, wenn der Sensor mittig zwischen zwei Magneten steht.



Anhand der Schaltschwellen (gestrichelt) kann das Steuersignal des Ausgangstransistors im PAS-Sensor ermittelt werden.

Kehrt sich die Drehrichtung der Scheibe beim Rückwärtstreten um, dann ergibt sich die folgende Situation:



Die zweite Bauform von digitalen PAS-Sensoren weist Magnete mit axialer Magnetisierungsrichtung auf. Die Magnetform ist dann meist zylindrisch.



Wichtig ist hierbei, dass alle Nordpole auf einer Seite der Scheibe liegen und alle Südpole auf der anderen Seite. Außerdem muss der Hallsensor gegenüber der ersten Variante um 90° (im Inneren des Gehäuses) gedreht werden, damit sich wieder ein Nulldurchgang des Magnetfeldes ergibt, wenn der Magnet genau unter dem Sensor steht. Der Hallsensor erfasst hier die x-Komponente des Magnetfeldes.



Bedingt durch den Umstand, dass sowohl Magnete als auch Sensor um 90° gegenüber der ersten Variante gedreht sind, ergeben sich qualitativ die gleichen Signalverläufe wie beim ersten Sensortyp.

Da digitale PAS-Sensoren mit Open-Collector-Ausgangstransistoren arbeiten, ist das PAS-Ausgangssignal gegenüber dem ermittelten Steuersignal invertiert.



  • Beim Vorwärtstreten ergibt sich am Ausgang des PAS-Sensors ein +5V Signal mit kurzen 0V Pulsen.
  • Beim Rückwärtstreten ergibt sich am Ausgang des PAS-Sensors ein 0V Signal mit kurzen +5V Pulsen.

Nicht vergessen: Beim Prüfen des PAS-Ausgangssignals muss der PAS-Sensor mit dem Controller verbunden sein oder ein externer Pull-Up-Widerstand gesteckt werden.

Gruß,

Christian
 
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AW: Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte)

Kehrt sich die Drehrichtung der Scheibe beim Rückwärtstreten um, dann ergibt sich die folgende Situation:

Schöne, und auf den ersten Blick auch einleuchtend illustrierte Theorie.


An einem praktischen Messaufbau nachvollzogen und per Oszilloskop nachgemesen, ergibt sich jedoch folgendes Bild:

In beiden Drehrichtungen ist das Ausgangssignal identisch : Symmetrisch - also Tastverhältnis 1:1 und somit wohl nicht geeignet für eine Drehrichtungserkennung.

Gruß - Dieter
 
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Christian

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AW: Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte)

Schöne, und auf den ersten Blick auch einleuchtend illustrierte Theorie.
Sorry, falls der Eindruck entstanden sein sollte, es handele sich bei meiner Darstellung lediglich um reine Theorie.

Oszillografie des PAS-Ausgangssignals bei Drehrichtung vorwärts:


Oszillografie des PAS-Ausgangssignals bei Drehrichtung rückwärts:


Die Messungen wurden an einer Magnetscheibe mit axialer Magnetisierungsrichtung durchgeführt.

Eine Drehrichtungserkennung ist selbstverständlich möglich.

Gruß,

Christian
 
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Dieter

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Oszillografie des PAS-Ausgangssignals bei Drehrichtung vorwärts:


Oszillografie des PAS-Ausgangssignals bei Drehrichtung rückwärts:


Die Messungen wurden an einer Magnetscheibe mit axialer Magnetisierungsrichtung durchgeführt.
Das deckt sich mit meinen Messungen an PAS Scheiben gleicher Art.


Mein Einwand bezieht sich jedoch auf die Erklärung der Version, bei der die Magnete in Laufrichtung magnetisiert sind.

Gruß - Dieter
 
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Christian

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AW: Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte)

Mein Einwand bezieht sich jedoch auf die Erklärung der Version, bei der die Magnete in Laufrichtung magnetisiert sind.
Ein Tastverhältnis von 1:1 habe ich damals bei dem o.a. Sensor nicht messen können.

Es ist durchaus denkbar, dass obere und untere Schaltschwelle nicht symmetrisch sind oder der Sensor vormagnetisiert ist. Dann wären die 0V Pulse beim Vorwärtslauf breiter und die 5V Pulse beim Rückwärtslauf schmaler (wenn beispielsweise |U_oben| > |U_unten|). In jedem Fall muss jedoch das Signalbild drehrichtungsabhängig verschieden sein - vorausgesetzt, der Sensor ist überhaupt zu einer Drehrichtungserkennung in der Lage ;).

Somit würde sich nichts an der Erläuterung des Wirkprinzips und der grundsätzlichen Erkenntnis ändern, dass "gedrehte" Magnete zusammen mit einem "gedrehten" Sensor zu einem vergleichbaren Signalverlauf führen.

Gruß,

Christian
 
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Dieter

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Ein Tastverhältnis von 1:1 habe ich damals bei dem o.a. Sensor nicht messen können.
Ist vor der Messung die tatsächliche Magnetisierungsrichtung der rechteckigen (vll quadratischen ) Magnete festgestellt worden - z.B. mit
einem handelsüblichen Flux Detektor ?

Gruß - Dieter
 
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Christian

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AW: Funktionsweise digitaler PAS-Sensoren (Details für Interessierte)

Damals nicht - zwischenzeitlich schon (Sensorfolie, Magnetsonde, PM mit definierter Magnetisierungsrichtung). Die Folie zeigte beispielsweise die charakteristische mittige Trennlinie auf den sichtbaren Magnetflächen. Die Magnete sind zweifelsfrei in Drehrichtung magnetisiert.

Nur zum Verständnis: Dein Sensor zeigt drehrichtungsunabhängig das gleiche Signal, ist diesbezüglich die einzige Signalquelle für den Controller und dieser erkennt trotzdem die Drehrichtung? Spannend.

Willst Du vielleicht mal Deine Messungen einstellen, damit wir uns der Sache auch mal von einer anderen Seite nähern können?

Gruß,

Christian
 
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Dieter

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Nur zum Verständnis: Dein Sensor zeigt drehrichtungsunabhängig das gleiche Signal, ist diesbezüglich die einzige Signalquelle für den Controller und dieser erkennt trotzdem die Drehrichtung? Spannend.
Wo habe ich behauptet oder erwähnt, dass diese Sensoranordnung zusammen mit einem Controller verwendet wird ?

Gruß - Dieter
 
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Christian

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Wahrscheinlich an der gleichen Stelle, an der ich erwähnt habe, dass es in diesem Thread um kommerziell verfügbare PAS-Sensoren in "handelsüblichen" Anwendungen geht ... ?

Nix für ungut Dieter, aber diese Form der (Nicht-)Diskussion ist auf Dauer ermüdend. Falls Du etwas zum o.a. Thema beitragen willst, das für die Nutzer hier von praktischem Interesse ist, dann bist Du herzlich dazu eingeladen.

Anderenfalls überlege Dir bitte, ob das Anliegen, das Du transportieren möchtest, nicht in einem anderen Thread besser aufgehoben wäre. ;)

Gruß,

Christian
 
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antipinostik

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Hallo Christian,

wenn ich die Anzahl der Magnete auf meiner Magnetscheibe verdoppeln möchte, dann müßte ich bei den würfel- bzw. quarderförmigen Magneten auf die Drehrichtung entsprechende Magnetisierungsrichtung achten, wobei ich bei runden Magneten auf die Nord-Süd-Richtung achten muss?? Habe ich das so richtig verstanden ??
Was ja wohl etwas einfacher wäre und zudem der Einbau auch einfacher ist, da ja noch keiner eine Bohrmaschine "für viereckige Löcher"
erfunden hat.
Noch 'ne Frage: Was genau verändert sich im >>Fahrverhalten<<(nicht physikalisch-stromtechnisch), wenn ich die Magenete verdopple ? ! ?

Gruß antipinostik
 
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Christian

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Hallo antipinostik,

wenn ich die Anzahl der Magnete auf meiner Magnetscheibe verdoppeln möchte, dann müßte ich bei den würfel- bzw. quarderförmigen Magneten auf die Drehrichtung entsprechende Magnetisierungsrichtung achten, wobei ich bei runden Magneten auf die Nord-Süd-Richtung achten muss??
Ja, die richtige Nord/Süd-Magnetisierung (in Drehrichtung bzw. quer dazu) ist wichtig.

Noch 'ne Frage: Was genau verändert sich im >>Fahrverhalten<<(nicht physikalisch-stromtechnisch), wenn ich die Magenete verdopple ? ! ?
Du gaukelst dem Controller eine höhere Trittfrequenz vor und er wird Dich in der Regel entsprechend stärker unterstützen. Erfahrungsberichte dazu gibt's hier im Forum.

Gruß,

Christian
 
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haegar

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zum Teil reicht schon langsames Pedalieren für Vollgasbetrieb,sinvoller ist es da ein paar magnete zu entfernen( z.B. Jaccs-umbausatz) um etwas dosieren zu können wenn man keinen GG nutzt
 
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antipinostik

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Also, mein Dreirad habe ich jetzt einen Sommer lang durchgetestet. Ist eine böse Umgewöhnung in der Fahrweise. Leider habe ich nun so'n Ding und habe mich jetzt eingefuchst.
Aber jetzt zum Thema >>doppelte<< Magnete. Habe ich mir probeweise eingebaut. Überraschung: Kann ganz nützlich sein. Mit "Berggang" zum Beispiel. Auf ebener Strecke hat man dann die >>"Luftnummer<<". Man tritt ohne Kraft, da der Motor "Vollgas" gibt. Ist bergauf auch ganz praktisach, da er fleißig mitschiebt. Aber der Akku ist schnell leer. Man muss aber auf ebener Strecke vor der Kurve mal die Bremse betätigen, um das "Schieben" mal kurz raus zu nehmen. Bin heute mal kurz auf 2(zwei) Rädern um die Kurve, ist nicht gerade prickelnd bei einem Dreirad.
Aber mit meinen jetzigen Erfahrungen hier aus dem Forum und durch meinen "Erstbau" wird mein nächster >>Eigenbau<< dieee "Große Nummer". Klaro!!!

Gruß antipinostik, der alte Knacken.
 
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MaxeBaumann

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Ich hab gerade mal meinen PAS (mit runden Magneten) mit Oszi angesehen.
Zunächst ohne Pull-Up. Das Signal hat 0V, bei Annäherung der Magnete springt es auf 0.4V (Drehrichtung egal). Wenn ich den Magneten entferne, bleibt das Signal (latch) entweder auf 0.4V oder 0V.

Ein Pull-up von 1.2k oder auch 470 Ohm zogen das Signal nicht nach oben. Da stimmt doch was nicht, oder? Ist die OC Stufe hin? Ist gar keiner drin? Dagegen spricht die relativ steile Flanke von ca 3µs.
 
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Dreamit

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Sorry Leute, leider kann ich hier nicht richtig folgen. Ich habe heute meinen Pedelec Umbausatz eingebaut. Der Motor reagiert aus dem Stand auf jede Bewegung am Drehgriff, egal ob ich trete oder nicht. Kann das an der PAS Scheibe liegen? Was kann ich da falsch machen? Der Abstand zu den Magneten beträgt 1mm. Ist das zu wenig?

Gruß Dreamit
 

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Die meisten Controller überschreiben mit dem Gasgriff die eingestellten Stufen unabhängig vom PAS (sind deshalb in D illegal). Abhilfe kann durch sog. Gasgrifffreischalter (entweder von groetech.de oder als Bastellösung) geschaffen werden. SuFu bemühen!
 
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Dreamit

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Aber warum ist denn dann sone PAS dabei? Was hat die denn bei meinem Umbausatz für eine Funktion oder Sinn? Ich beschäftige mich erst seit kurzem damit. Sorry. Oder habe ich die PAS an der falschen Seite oder kann man den Sensor verkehrt einbauen?

Gruß Dreamit
 
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Ich kenne deinen Umbausatz nicht...

Gehört da auch ein Display/Bedienteil dazu?
 
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Oder habe ich die PAS an der falschen Seite oder kann man den Sensor verkehrt einbauen?
Oder der PAS wird nicht erkannt weil schlechte Steckverbindung / Drahtbruch - zumindest die Controller mit Infinion-Chip laufen dann ohne PAS-Auswertung.
 
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Dreamit

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Nein. Habe grad durch die Suche was gefunden. Aber da lag es wohl auch an dem Display. Ich habe mir einen ganz einfachen Umbausatz geholt ohne Display von DIY. Kann man wohl auch nicht nachrüsten, lässt der Controller nicht zu. Will ich aber auch nicht. Son Drehgriff war dabei und diese PAS Scheibe.
 
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