DE10255578A1

DE10255578A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle eines Motors

Info

Publication number: DE10255578A1
Application number: DE10255578A
Authority: DE
Inventors: Jörg BÜRKLE
Original assignee: Valeo Wischersysteme GmbH
Current assignee: Valeo Wischersysteme GmbH
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle (1) eines Motors sowie einen Motor mit einer entsprechenden Vorrichtung, wobei ein elektrischer Schwingkreis (2) vorgesehen ist, bestehend aus einem ohmschen Widerstand (3) und einer Kondensatoranordnung (4), wobei durch den ohmschen Widerstand (3) und eine vorgegebene Kapazität der Kondensatoranordnung (4) eine Grundfrequenz des elektrischen Schwingkreises (2) vorgegeben ist. Eine erste Elektrode (5) und eine zweite Elektrode (6) der Kondensatoranordnung (4) sind vorgesehen, wobei die erste (5) und die zweite Elektrode (6) relativ zueinander so durch eine Drehung der Welle (1) verdrehbar sind, dass die Überlappungsfläche der ersten (5) und zweiten Elektrode (6) in einem Bereich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert veränderbar ist und damit die effektive Fläche der Kondensatoranordnung (4) und deren Gesamtkapazität und eine Frequenz des elektrischen Schwingkreises (2) in Abhängigkeit der relativen Verdrehung der ersten (5) und zweiten Elektrode (6) zueinander veränderbar ist. Ferner vorgesehen ist ein Mikrocontroller (7), welcher die Frequenzänderung in Abhängigkeit der Verdrehung erfasst und auswertet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung der Drehparameter, insbesondere des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit, einer Welle eines Motors sowie einen Motor mit einer entsprechenden Vorrichtung.

Generell ist es aus wissenschaftlichen Anwendungsgebieten bekannt, Messsignale durch zyklische Abtastung dieser Signale aufzunehmen. So ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Messurement of the position and displacement of a light beam with a spiral scanner", Ahlborn et al., Rev. SCI. Instrum. 49 (10), Oktober 1978, die optische Abtastung von Interferenzmustern bekannt, bei welcher ein einer gewissen Interferenzordnung zuzuordnender Laserstrahl durch eine sich drehende spiralförmige Scheibe zyklisch "zerhackt" wird, wobei aus der Zeitdauer der zerhackten Laserstrahlpulse jeweils Rückschlüsse auf die untersuchte Interferenz gezogen werden.

Gerade im Bereich moderner Regelungs- und Steuerungstechnik, wie sie in zunehmendem Maße speziell im Bereich der Automobilindustrie von immer größerer Bedeutung ist, ist es wünschenswert, die Drehparameter, insbesondere den Drehwinkel und/oder die Drehgeschwindigkeit, einer Welle eines verwendeten Motors zu kennen, um entsprechende Größen in der Steuerung bzw. Regelung verwenden zu können. Dabei sollten Anordnungen, welche die Bestimmung der Drehparameter, insbesondere des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit, einer Welle eines Motors ermöglichen, im Hinblick auf den häufig begrenzten zur Verfügung stehenden Einbauraum in Fahrzeugen besonders kompakt gestaltet sein und darüber hinaus auch besonders zuverlässig. Auch sollten entsprechende Anordnungen selbstverständlich möglichst kostengünstig realisierbar sein, da insbesondere im Bereich der Automobilindustrie eine möglichst kostengünstige Realisierung hohe Priorität hat.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Drehparameter, insbesondere des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit, einer Welle eines Motors vorzusehen, welche (s) bei geringen Herstellungskosten und einfacher Handhabbarkeit zuverlässig arbeitet und wenig Bauraum beansprucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle eines Motors sowie durch einen Motor gemäß Anspruch 20 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.

Die erfindungsgemäße Grundidee basiert darauf, eine Positionsänderung aufgrund der Drehung einer Welle eines Motors kapazitiv in eine Frequenzänderung umzuwandeln und somit die Drehparameter, insbesondere den Drehwinkel und die Drehgeschwindigkeit, der Welle des Motors zu bestimmen. So weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen elektrischen Schwingkreis auf, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und einer Kondensatoranordnung, wobei durch den ohmschen Widerstand und eine vorgegebene Kapazität der Kondensatoranordnung eine Grundfrequenz, das heißt eine Eigenfrequenz, des Schwingkreises in bekannter Art vorgegeben ist. Zur Variation der Frequenz des Schwingkreise abweichend von seiner Grundfrequenz sind erfindungsgemäß eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode der Kondensatoranordnung vorgesehen. Die beiden Flächen der ersten und zweiten Elektrode überlappen sich dabei zumindest zeitweise in jeweiligen Teilbereichen der jeweiligen Elektroden, eine Überlappungsfläche kann aber auch so weit zurückgehen, dass gerade keine Überlappung mehr vorliegt. Durch eine Drehung der Welle des Motors sind die erste und die zweite Elektrode relativ zueinander so verdrehbar, dass die resultierende Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode in einem Bereich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert bzw., je nach Drehrichtung, zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert veränderbar ist und sich damit die effektive Fläche der Kondensatoranordnung ändert. Somit ändert sich die Kapazität bzw. die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung und dadurch auch die Frequenz, das heißt die Eigenfrequenz, des Schwingkreises. Erfindungsgemäß ist somit die Frequenz des elektrischen Schwingkreises in Abhängigkeit der relativen Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander, bewirkt durch die Drehung der Welle, veränderbar. Erfindungsgemäß ist im Übrigen ein Mikrocontroller vorgesehen, welcher die Frequenzänderung in Abhängigkeit der Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander erfasst und auswertet.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle eines Motors ist es möglich, auf relativ einfache konstruktive Art und Weise eine berührungslose, das heißt besonders zuverlässige, kapazitive Bestimmung der Drehparameter, z.B. also auch der Drehrichtung, der Welle eines Motors zu erhalten. Ein Vorsehen des erfindungsgemäßen elektrischen Schwingkreises sowie der erfindungsgemäßen zwei Elektroden erfordert im Übrigen im Bereich des Motors nur äußerst geringen zusätzlichen Bauraum.

Die Flächen- und Frequenzänderung bei relativer Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander kann während der jeweiligen Verdrehung bevorzugt zumindest abschnittsweise kontinuierlich erfolgen. Es kann jedoch durch geeignete Wahl der Form der jeweiligen Flächen der Elektroden, welche prinzipiell jede geeignete Elektrodenform aufweisen können, auch eine zumindest abschnittsweise diskontinuierliche bzw. sprunghafte Änderung und/oder abschnittsweise auch zumindest in Teilbereichen keine Änderung in Abhängigkeit der Relativverdrehung bzw. des Drehwinkels der beiden Elektroden zueinander erfolgen, wobei auch jede Kombination aus kontinuierlicher, diskontinuierlicher oder gar keiner Änderung in beliebiger Abfolge denkbar ist.

Durch entsprechende Gestaltungen der Elektroden, insbesondere der ersten Elektrode, können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beispielsweise Anfangs-, End- und Referenzpunkte bzw. -abschnitte bezüglich der Relativbewegung der Elektroden und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle des Motors festgelegt sein.

Die resultierende Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode ist bevorzugt zyklisch veränderbar. Das heißt, beginnt beispielsweise nach einer gesamten Relativverdrehung der beiden Elektroden zueinander eine erneute relative Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander, so ergibt sich eine erneute entsprechende Frequenzänderung des elektrischen Schwingkreises.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kondensatoranordnung des Schwingkreises aus zwei parallelgeschalteten Kondensatoren. Dabei weist vorteilhafterweise der erste Kondensator eine fest vorgegebene Kapazität auf, und der zweite Kondensator umfasst die erste und zweite Elektrode der Kondensatoranordnung. Dieser zweite Kondensator weist somit eine veränderbare Kapazität auf. Durch die relative Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode des zweiten Kondensators relativ zueinander aufgrund der Drehung der Welle des Motors ändert sich die effektive Fläche des zweiten Kondensators der Kondensatoranordnung und, da der zweite Kondensator zum ersten Kondensator der Kondensatoranordnung parallelgeschaltet ist, auch entsprechend die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung und die Frequenz des elektrischen Schwingkreises. Die Grundfrequenz des Schwingkreises ergibt sich aus dem ohmschen Widerstand und der vorgegebenen Kapazität des ersten Kondensators.

Durch die erfindungsgemäß vorteilhafte Gestaltung der Kondensatoranordnung, bestehend aus zwei parallelgeschalteten Kondensatoren, ist eine besonders einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben. Insbesondere kann dadurch beispielsweise eine je nach Auslegung des Motors, in welchem eine solche Vorrichtung Verwendung findet, eine individuelle Anpassung an das Auflösungsvermögen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich der Bestimmung des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors vorgenommen werden.

Generell kann die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung aus einem oder mehreren entsprechenden Plattenkondensatoren ausgebildet sein, bei welchen die jeweiligen Elektroden parallel zueinander und in einem bestimmten Abstand voneinander, bevorzugt senkrecht zur Verdrehachse, angeordnet sind. Generell können aber auch andere geeignete Formen von Kondensatoren, wie beispielsweise entsprechend geformte zylindrische Kondensatoren, durchaus entsprechend verwendet werden.

Ferner ist es bevorzugt, dass die erste Elektrode der Kondensatoranordnung eine größere Fläche aufweist als zweite Elektrode der Kondensatoranordnung, woraus sich eine besonders einfach zu realisierende Gestaltung und unproblematische relative Anordnung der jeweiligen einzelnen Elektroden zueinander ergibt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die erste und zweite Elektrode der Kondensatoranordnung hinsichtlich einer Drehachse, um welche die Relativverdrehung erfolgt, koaxial bezüglich der Welle des Motors angeordnet ist. In diesem Fall kann sich die erste oder zweite Elektrode unmittelbar mit der Welle drehen und die beiden Elektroden drehen sich relativ zueinander. Bei dieser Gestaltung kann eine komplette relative Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode relativ zueinander genau einer kompletten Umdrehung der Welle des Motors entsprechen.

Die Anordnung der ersten und zweiten Elektrode hinsichtlich einer Drehachse, um welche die Relativverdrehung erfolgt, koaxial bezüglich der Welle des Motors, wobei die Kondensatorflächen bevorzugt parallel zu einem auf der Welle montierten Zahnrad angeordnet sein können, und wobei eine der Elektroden sich mit der Welle des Motors mitdreht, während die andere ortsfest bleibt, bietet insbesondere den Vorteil, dass eine komplette Umdrehung der Welle des Motors unmittelbar auf eine komplette relative Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode relativ zueinander abgestimmt ist. Daraus ergibt sich eine besonders zuverlässige Bestimmung des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors. Außerdem ergibt sich durch diese Anordnung ein geringer Platzbedarf der gesamten Vorrichtung, da keine zusätzlichen Vorrichtungen benötigt werden, welche die Drehbewegung der Welle des Motors auf die Drehbewegung der beiden Elektroden relativ zueinander übertragen.

Wie bereits angesprochen, kann die Kondensatoranordnung insbesondere aus einem oder mehreren Plattenkondensatoren bestehen. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, falls die erste Elektrode dabei in ihrem Radius in Draufsicht über ihren Umfang kontinuierlich bis zu einem Maximalradius zunimmt, das heißt, die erste Elektrode besitzt in Draufsicht eine Fläche, welche im Drehzentrum beginnt und über den Umfang nach einer Kreisumdrehung einen Maximalradius aufweist.

Des Weiteren ist es besonders bevorzugt, dass die zweite Elektrode in ihrer Draufsicht ein Kreissegment ist, wobei die Breite des Kreissegments unter anderem das Auflösungsvermögen der Vorrichtung bezüglich des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors mitbestimmt.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, falls die erste Elektrode durch eine archimedische Spirale umfangmäßig begrenzt ist. Diese archimedische Spirale bzw. die zweite Elektrode kann bezüglich ihrer Umfangslinie noch entsprechend korrigiert sein, so dass sich eine im Wesentlichen lineare Frequenzänderung bei entsprechender Verdrehung der ersten Elektrode gegenüber der zweiten Elektrode ergeben kann, da sich dabei auch die entsprechende Überlappungsfläche der entsprechend geformten ersten mit einer entsprechend geformten zweiten Elektrode auf im Wesentlichen lineare Art und Weise ändert. Dies erleichtert insbesondere die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors.

Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die erste Elektrode unmittelbar auf einem Zahnrad der Welle des Motors angeordnet bzw. aufgebracht ist. Somit trägt dieses Zahnrad bereits das entsprechende Substrat für die entsprechende Elektrode, was wiederum zu einer Ersparnis bei den Herstellungskosten führt und auch besonders wenig Bauraum beansprucht.

Die zweite Elektrode kann insbesondere auf einer Basisplatte eines Schaltungsbords (PCB = Printed Circuit Board) angeordnet bzw. aufgebracht sein, was ebenfalls besonders kostengünstig und platzsparend ist.

Es ist prinzipiell auch möglich, dass die zweite Elektrode auf einem Zahnrad der Welle des Motors und die erste Elektrode auf einer Basisplatte eines Schaltungsbords angeordnet ist.

Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode können bevorzugt aus Kupfer bestehen, selbstverständlich ist auch jedes andere geeignete Material denkbar. Insbesondere muss das Material, welches für die erste Elektrode verwendet wird, nicht zwangsweise auch für die zweite Elektrode verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle eines Motors sieht folgende erfindungsgemäße Schritte vor:

Bereitstellung eines elektrischen Schwingkreises, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und einer Kondensatoranordnung, wobei durch den ohmschen Widerstand und eine vorgegebene Kapazität der Kondensatoranordnung in bekannter Weise eine Grundfrequenz, das heißt eine Eigenfrequenz, des Schwingkreises vorgegeben wird. Erfindungsgemäß wird die Frequenz des elektrischen Schwingkreises geändert durch eine Veränderung der Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung durch Veränderung der effektiven Fläche dieser Kondensatoranordnung mittels einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Kondensatoranordnung, welche relativ zueinander so durch eine Drehung der Welle des Motors verdreht werden, dass eine Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert bzw., je nach Drehrichtung, zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert verändert wird. Beim Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit ist ferner ein Mikrocontroller vorgesehen, welcher die sich ergebende Frequenzänderung in Abhängigkeit der Verdrehung erfasst und auswertet.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher aus einer momentanen Änderung der Frequenz des Schwingkreises die momentane Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors berechnet wird. Dies erfolgt bevorzugt durch die Bestimmung der Steigung der Frequenzänderung über die Zeit, bevorzugt durch den verwendeten Mikrocontroller. Eine entsprechende Berechnung bietet eine besonders rasche und zuverlässige Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode zyklisch verändert wird.

Die Flächen- und Frequenzänderung bei relativer Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest abschnittsweise kontinuierlich. Es kann jedoch, wie bereits angesprochen, durch geeignete Wahl der Form der jeweiligen Flächen der Elektroden, welche prinzipiell jede geeignete Elektrodenform aufweisen können, auch eine zumindest abschnittsweise diskontinuierliche bzw. sprunghafte Änderung und/oder abschnittsweise auch zumindest in Teilbereichen keine Änderung in Abhängigkeit der Relativverdrehung bzw. des Drehwinkels der beiden Elektroden zueinander erfolgen, wobei auch jede Kombination aus kontinuierlicher, diskontinuierlicher oder gar keiner Änderung in beliebiger Abfolge denkbar ist.

Durch entsprechende Gestaltungen der Elektroden, insbesondere der ersten Elektrode, können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise Anfangs-, End- und Referenzpunkte bzw. -abschnitte bezüglich der Relativbewegung der Elektroden und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle des Motors festgelegt werden.

Erfindungsgemäß ist ein Motor vorgesehen, welcher mit einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle des Motors vorgesehen ist, wobei diese Vorrichtung in konstruktiver Weise beispielsweise hinsichtlich der Anordnung und Dimensionierung des Schwingkreises, der Kondensatoranordnung, der ersten und zweiten Elektrode, der Materialauswahl, der Erfassung durch den Mikrocontroller usw. an den Motor angepasst ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Motor ein reversierbarer Motor sein, wie er beispielsweise im Automobilbau als Scheibenwischermotor zum Einsatz kommen kann. Solche Motoren weisen üblicherweise eine an entsprechenden Anfangs- und Endpunkten sich umkehrende Drehrichtung auf, welche sich bevorzugt zyklisch ändert.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Schwingkreises mit veränderbarer Kapazität sowie den Mikrocontroller;
2 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine Draufsicht auf die erste und zweite Elektrode gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine diagrammartige Darstellung der Änderung der Frequenz bzw. der Kapazität des elektrischen Schwingkreises über die Zeit gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der ersten Elektrode gemäß der Erfindung;
5 eine Draufsicht auf die erste Elektrode gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine diagrammartige Darstellung der Änderung der Frequenz bzw. der Kapazität des elektrischen Schwingkreises über die Zeit gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der ersten Elektrode gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen elektrischen Schwingkreis 2, bestehend aus einem ohmschen Widerstand 3 und einer Kondensatoranordnung 4. Ebenfalls gezeigt ist der Mikrocontroller 7, welcher mit dem Schwingkreis 2 verbunden ist, um dessen Frequenzänderung in Abhängigkeit einer Verdrehung der Welle eines Motors (nicht gezeigt) erfassen und auszuwerten. Die Kondensatoranordnung 4 besteht aus einem ersten Kondensator 8 mit einer fest vorgegebenen Kapazität und einem zweiten Kondensator 9 veränderbarer Kapazität (angedeutet durch den Pfeil in 1), wobei der zweite Kondensator 9 die erste 5 und zweite 6 Elektrode der Kondensatoranordnung 4 aufweist. Die Grundfrequenz des elektrischen Schwingkreises 2 ist in bekannter Art und Weise durch den Wert des ohmschen Widerstandes 3 und den Wert der Kapazität des ersten Kondensators 8 vorgegeben. Der veränderbare Wert der Kapazität des zweiten Kondensators 9 bewegt sich zwischen einem gegebenen Minimalwert und einem gegebenen Maximalwert. Um den jeweiligen veränderbaren Wert der Kapazität des zweiten Kondensators ändert sich dann jeweils auch entsprechend die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung 4, welche im vorliegenden Fall aus den beiden parallelgeschalteten Kondensatoren 8 und 9 besteht. Die zyklische Veränderung der Frequenz des elektrischen Schwingkreises 2 ergibt sich somit ursprünglich aus der Drehung der Welle 1 des Motors (nicht gezeigt).
2 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einer Welle 1 eines Motors ist ein Zahnrad 10 angeordnet. Dieses Zahnrad 10 trägt an seiner Unterseite die erste Elektrode 5 der Kondensatoranordnung. Diese erste Elektrode 5 ist auf dem Zahnrad durch eine entsprechende Kupferbeschichtung aufgebracht, kann jedoch beispielsweise auch durch Aufkleben einer entsprechend geformten Kupferscheibe, z.B. gestanzt aus einem geeigneten Kupferblech, darauf angeordnet sein. Der elektrische Kontakt der Elektrode 5 ist nicht dargestellt, er erfolgt in herkömmlicher Art und Weise beispielsweise über einen Schleifkontakt. Die zweite Elektrode 6 der Kondensatoranordnung ist parallel in einem Abstand d von der auf dem Zahnrad 10 angebrachten ersten Elektrode 5 angeordnet. Die zweite Elektrode 6 ist dabei als Kupferbeschichtung auf einer PCB-Leiterplatte aufgebracht, kann jedoch beispielsweise auch durch Aufkleben eines entsprechenden Kupferplättchens darauf angeordnet sein. Die PCB-Leiterplatte ist ortsfest angeordnet, das heißt, diese Leiterplatte dreht sich nicht mit der Welle 1 des Motors mit. Hinsichtlich der Drehachse, um welche die Relativbewegung der beiden Elektroden 5 und 6 erfolgt, sind die beiden Elektroden koaxial zur Welle 1 des Motors angeordnet.
3 zeigt die erste Elektrode 5 und die zweite Elektrode 6 einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht. Die erste Elektrode 5 weist eine größere Fläche auf als die zweite Elektrode 6, und die Flächen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 6 überlappen sich in der gezeigten Stellung zueinander jeweils in Teilbereichen. Die erste Elektrode 5 nimmt in ihrem Radius über ihren Umfang kontinuierlich von Radius 0 bis zum Maximalradius zu. Dabei wird die erste Elektrode 5 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel zum Beispiel durch eine archimedische Spirale umfangmäßig begrenzt. Die zweite Elektrode 6 ist in Draufsicht gesehen ein Kreissegment. Durch entsprechende Drehung der Welle 1 (in 3 nicht gezeigt) sind nun die erste Elektrode 5 und die zweite Elektrode 6 zueinander so verdrehbar, dass die Überlappungsfläche der ersten 5 und zweiten 6 Elektrode bei jeder Relativumdrehung (angedeutet durch den Pfeil in 3) kontinuierlich im Bereich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert veränderbar ist, wobei die Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode je nach Drehrichtung der Welle zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert oder zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert verändert wird. Der jeweilige Bereich, an welchem sich die erste 5 und zweite 6 Elektrode überlappen, stellt somit den Bereich der beiden Platten eines Plattenkondensators dar.
Generell gilt für die Kapazität eines Plattenkondensators: C = ∈0 . ∈R . A : dwobei:
C : Kapazität [F]
∈₀: Dielektrizitätkonstante (8,854 × 10¹² F : m)
∈_R: Dielektrizitätszahl (= 1 für Luft als Dielektrikum)
A: Plattenfläche des Kondensators [m²]
d: Abstand der beiden Kondensatorplatten zueinander [m]
Durch die Drehung der Welle 1 des Motors kommt es also zu einer Änderung der Überlappungsfläche der ersten 5 und zweiten 6 Elektrode, das heißt zur Änderung der Plattenfläche des entsprechenden Kondensators, so dass sich die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung 4 und somit die Frequenz des elektrischen Schwingkreises 2 in Abhängigkeit der Verdrehung zyklisch verändert.
4 zeigt schematisch die Kapazitäts- und Frequenzänderung über die Zeit t, welche sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführungsformen der 2 und 3 über die Zeit ergibt.
Wie aus 4 ersichtlich, stellt die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Frequenz f ändert, das heißt die Steigung der Frequenzgerade über die Zeit t, ein Maß für die Geschwindigkeit des Zahnrades und damit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 1 des Motors dar. Die Frequenzänderung (Zu- oder Abnahme über einen Umdrehungszyklus) des elektrischen Oszillators ist dabei auch abhängig von der Drehrichtung des Zahnrades, das heißt von der Richtung der relativen Bewegung der beiden Elektroden 5 und 6 zueinander.
Im Beispiel gemäß 4 erfolgt die erste Umdrehung der Welle 1 des Motors langsamer (Umdrehungszeitdauer T₁) als die zweite Umdrehung der Welle 1 des Motors (Umdrehungszeitdauer T₂ minus T₁). Das heißt, dass die Steigung der Frequenz über die Zeit t im Fall der ersten Umdrehung weniger steil ist als die Steigung der Frequenz über die Zeit bei der zweiten Umdrehung. Wie aus 4 ersichtlich, erfährt die Frequenz f also während der ersten Umdrehung eine langsamere Änderung als während der zweiten Umdrehung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten somit eine kapazitive Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit sowie damit verbunden der Drehrichtung einer Achse 1 eines Motors.
Allgemein ist in 4 die Änderung der Frequenz f (gestrichelte Linie) und die Änderung der Kapazität C (durchgezogene Linie) über die Zeit t für eine Drehung des Zahnrades 10 bzw. der ersten Elektrode 5 gegen den Uhrzeigersinn (Pfeilrichtung in 3) dargestellt. Man sieht, dass mit abnehmender Kapazität C die Frequenz f ansteigt. Diese Änderungen erfolgen zyklisch für jede Umdrehung sich wiederholend, wobei während einer bestimmten Umdrehung die Änderungen kontinuierlich erfolgen.
5 zeigt die erste Elektrode 5 einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht.
Die erste Elektrode 5 gemäß 5 besteht aus einem Stück entsprechend gestanzten Metallblech und weist im Bereich der Drehachse einen streifenförmigen Abschnitt auf, welcher als Kontakt zur Herstellung des elektrischen Kontakts der Elektrode 5 dient und entsprechend in an sich bekannter Art und Weise einen Schleifkontakt der sich drehenden Elektrode 5 bildet. Durch eine entsprechende Gestaltung der ersten Elektrode 5 gemäß 5 sind einige funktionelle Punkte bzw. Abschnitte A1 – A5 an der ersten Elektrode 5 definiert. So sind beispielsweise Anfangs- (A5), End- (A2) und Referenzpunkte bzw. -abschnitte (A4) und ein „verbotener" Abschnitt (A3) bezüglich der Relativbewegung der Elektroden und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle 1 des Motors (nicht gezeigt) festgelegt. Die Flächen- und Frequenzänderung bei relativer Verdrehung der ersten 5 und zweiten 6 Elektrode (zweite Elektrode 6 hier nicht gezeigt; entspricht in ihrer Form aber der Ausführungsform gemäß 3) zueinander erfolgt während der jeweiligen Verdrehung zumindest abschnittsweise (Abschnitt A1) kontinuierlich. An den Übergängen der einzelnen Abschnitte kommt es entsprechend den Flächenänderungen durch abrupte Radienänderung der Fläche der gezeigten ersten Elektrode 5 zu diskontinuierlichen Sprüngen in der Überlappungsfläche der beiden Elektroden 5 und 6 und somit zu entsprechenden diskontinuierlichen Änderungen in der Kapazität und Frequenz.
6 zeigt eine diagrammartige Darstellung der Änderung der Frequenz bzw. der Kapazität des elektrischen Schwingkreises über die Zeit t gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der ersten Elektrode gemäß der Erfindung, wie sie in 5 gezeigt ist.
Gut zu sehen sind die Übergänge zwischen den einzelnen Bereichen A1 - A5, welche, wie oben beschrieben, diskontinuierlich erfolgen.
Allgemein ist in 6 die Änderung der Frequenz f (gestrichelte Linie) und die Änderung der Kapazität C (durchgezogene Linie) über die Zeit t für eine Drehung der ersten Elektrode 5 gegen den Uhrzeigersinn dargestellt. Man sieht, dass z.B. im Abschnitt A1 mit linear zunehmender Kapazität C die Frequenz f kontinuierlich linear abnimmt. Die gezeigten Änderungen erfolgen zyklisch, wobei sich die Abfolge der Abschnitte A1 bis A5 für jede 360 Grad Umdrehung wiederholt. Es ist jedoch generell auch möglich, dass beispielsweise bei Verwendung einer entsprechenden ersten Elektrode 5 gemäß 5 zusammen mit einem reversiblen Motor eine Hin- und Herbewegung mit wechselnder Drehrichtung z.B. zwischen den Abschnitten A5 und A2 erfolgt, also mit der Abfolge A5-A1-A2-A1-A5-A1- usw., wobei Abschnitt A4 beispielsweise für eine Ruheposition stehen kann und Abschnitt A3 einen „verbotenen" Bereich definiert.

Claims

Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle (1) eines Motors, aufweisend: einen elektrischen Schwingkreis (2), bestehend aus einem ohmschen Widerstand (3) und einer Kondensatoranordnung (4), wobei durch den ohmschen Widerstand (3) und eine vorgegebene Kapazität der Kondensatoranordnung (4) eine Grundfrequenz des elektrischen Schwingkreises (2) vorgegeben ist; eine erste Elektrode (5) und eine zweite Elektrode (6) der Kondensatoranordnung (4), wobei die erste (5) und die zweite (6) Elektrode relativ zueinander so durch eine Drehung der Welle (1) verdrehbar sind, dass die Überlappungsfläche der ersten (5) und zweiten (6) Elektrode in einem Bereich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert veränderbar ist und damit die effektive Fläche der Kondensatoranordnung (4) und deren Gesamtkapazität und eine Frequenz des elektrischen Schwingkreises (2) in Abhängigkeit der relativen Verdrehung der ersten (5) und zweiten (6) Elektrode zueinander veränderbar ist; und einen Mikrocontroller (7), welcher die Frequenzänderung in Abhängigkeit der Verdrehung erfasst und auswertet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flächen- und Frequenzänderung bei relativer Verdrehung der ersten (5) und zweiten (6) Elektrode zueinander zumindest abschnittsweise kontinuierlich ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die resultierende Überlappungsfläche der ersten (5) und zweiten (6) Elektrode zyklisch veränderbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Elektrode (5) eine Gestaltung aufweist, durch welche Referenzpunkte bzw. -abschnitte bezüglich der Relativbewegung der Elektroden (5, 6) und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle (1) des Motors festgelegt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kondensatoranordnung (4) aus zwei parallelgeschalteten Kondensatoren besteht, wovon ein erster Kondensator (8) eine fest vorgegebene Kapazität aufweist und ein zweiter Kondensator (9) veränderbarer Kapazität die erste (5) und zweite (6) Elektrode der Kondensatoranordnung (4) aufweist, welche so durch eine Drehung der Welle (1) relativ zueinander verdrehbar sind, dass sich die effektive Fläche des zweiten Kondensators (9) der Kondensatoranordnung (4) und damit deren Gesamtkapazität und die Frequenz des elektrischen Schwingkreises (2) in Abhängigkeit der relativen Verdrehung zueinander ändert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektrode (5) der Kondensatoranordnung (4) eine größere Fläche aufweist als die zweite Elektrode (6) der Kondensatoranordnung (4).
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Elektrode (5) eine Gestaltung aufweist, durch welche Referenzpunkte bezüglich der Relativbewegung der Elektroden (5, 6) und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle (1) des Motors festgelegt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste (5) und zweite (6) Elektrode hinsichtlich einer Drehachse, um welche die Relativverdrehung erfolgt, koaxial bezüglich der Welle (1) des Motors angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Radius der ersten Elektrode (5) in Draufsicht über einen Umfang kontinuierlich bis zu einem Maximalradius zunimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste Elektrode (5) durch eine archimedische Spirale umfangsmäßig begrenzt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Elektrode (6) in Draufsicht ein Kreissegment ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste Elektrode (5) unmittelbar auf ein Zahnrad (10) der Welle (1) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die zweite Elektrode (6) auf einer Basisplatte eines Schaltungsbords angeordnet ist.
Verfahren zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle eines Motors, wobei ein elektrischer Schwingkreis vorgesehen wird, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und einer Kondensatoranordnung, wobei durch den ohmschen Widerstand und eine vorgegebene Kapazität der Kondensatoranordnung eine Grundfrequenz des Schwingkreises vorgegeben wird, und wobei eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode der Kondensatoranordnung relativ zueinander so durch eine Drehung der Welle verdreht werden, dass eine Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode in einem Bereich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert verändert wird und damit die effektive Fläche der Kondensatoranordnung und deren Gesamtkapazität und eine Frequenz des elektrischen Schwingkreises geändert werden, und wobei ein Mikrokontroller die Frequenzänderung in Abhängigkeit der Verdrehung erfasst und auswertet.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei aus einer momentanen Änderung der Frequenz die momentane Drehgeschwindigkeit der Welle des Motors berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode je nach Drehrichtung der Welle zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert oder zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Überlappungsfläche der ersten und zweiten Elektrode zyklisch verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Flächen- und Frequenzänderung bei relativer Verdrehung der ersten und zweiten Elektrode zueinander zumindest abschnittsweise kontinuierlich erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei durch die Gestaltung der ersten Elektrode Referenzpunkte bzw. -abschnitte bezüglich der Relativbewegung der Elektroden zueinander und damit bezüglich der Drehbewegung der Welle des Motors festgelegt werden.
Motor, welcher mit einer Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Drehwinkels und der Drehgeschwindigkeit einer Welle (1) des Motors gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 vorgesehen ist, wobei diese Vorrichtung an den Motor angepasst ist.
Motor nach Anspruch 20, wobei der Motor ein Rundläufer und/oder ein reversierbarer Motor ist.