DE4141000B4

DE4141000B4 - Anordnungen und Verfahren zur Messung von Drehwinkeln

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Publication number: DE4141000B4
Application number: DE19914141000
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Hermann; Johann von der Dipl.-Ing. Heide; Uwe Müller
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1990-12-13
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2011-12-13
Also published as: DE4141000A1

Abstract

Anordnung zur Messung von Drehwinkeln mittels elektrischer, optischer oder magnetisch wirkender Sensoren und mit folgenden Merkmalen:
Es ist ein bewegliches Teil vorhanden, welches eine periodisch wiederholte mechanische oder optische oder magnetische oder elektrische Struktur aufweist mit mindestens einer Periode;
es ist ein feststehendes Teil vorhanden, welches an mindestens drei Stellen optische, magnetische oder elektrische Sensoren, die optische oder magnetische Signale in ein elektrisches Signal umsetzen oder ein elektrisches Signal in ein anderes elektrisches Signal, vorzugsweise Stromsignal umwandeln, aufweist, zur Erfassung optischer, magnetischer oder elektrischer Signale, die sich in Abhängigkeit von der Bewegung des beweglichen Teils periodisch, vorzugsweise sinusoidförmig ändern und die bei Bewegung des beweglichen Teils einen im wesentlichen gleichen, jedoch phasenversetzten Verlauf aufweisen, wobei der Phasenversatz bei der Bewegung des beweglichen Teils für die Signale untereinander im wesentlichen gleich bleibt
gekennzeichnet durch
– eine Auswerteeinheit zur Integraltransformation jedes einem der Sensoren zugeordneten, elektrischen Signals, in...

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen und Verfahren zur Messung von Drehwinkeln.
Es sind verschiedenste Arten solcher Positionssensoren bekannt. Von besonderer Bedeutung sind solche, die die Messung von Distanzen oder Drehwinkeln durch Wandlung von Positionsinformationen in elektrische Informationen bewirken. Solcherart gewandelte Informationen können in analoger Form (Zeigerausschlag usw.) oder digitaler Form (Ziffernanzeige usw.) angezeigt werden.
Zur Steigerung der Genauigkeit solcher Messungen sind insbesondere Verfahren bekannt, welche mehrere Meßwerte für eine gleiche Messung einer Mittelwertbildung unterziehen. Desweiteren ist es bekannt, zur Elimination systematischer Störeinflüsse Differenzmeßverfahren zu benutzen, bei denen eine Meßgröße eine von zwei gegensinnig arbeitender, ansonsten identischer Meßapparaturen beeinflußt, so daß die Differenzen der Meßergebnisse als verbesserter Meßwert vorliegen. Ein einfaches Beispiel für Meßverfahren dieser Art ist das sogenannte astatische Magnetnadelpaar zur Vermessung von Magnetfeldern in Anwesenheit des Erdmagnetfeldes.
Zur weiteren Steigerung der Messgenauigkeit solcher Messverfahren sind des weiteren Methoden bekannt, die darauf beruhen, eine zu vermessende Messgröße in eine ganzzahlige Anzahl einheitlicher, relativ kleiner Inkremente zu diskretisieren. Auf diese Weise gelingt es, einen Messwert in diskreter Form und mit einer Auflösung im Promillebereich oder besser darzustellen.
Zum Ausmessen von linearen oder winkelstellungsmäßigen Positionen sind zu diesem Zweck jedoch Positionsgeber mit eingeprägten, vorzugsweise streng periodisch wiederkehrenden Vergleichs-Markierungen erforderlich, die um so aufwendiger und teuerer werden, je höher die geforderte Auflösung bzw. die Anzahl vorhandener und verwertbarer Inkremente sein soll.
Eine solche, mit einer magnetischen Maßteilung versehenen Positionsmessvorrichtung ist bekannt aus der Patentschrift DE 35 26 338 C2 . Diese Druckschrift zeigt, wie man mit standardmäßigen Sensoren mehrere Arten an unterschiedlichen Maßeinteilungen benutzen kann. Die Auflösung, d. h. eine Unterscheidungsmöglichkeit bezüglich minimaler Verschiebungen, ist jedoch vorgegeben und begrenzt sowohl durch die Anzahl der Polpaare pro Längeneinheit eines zugehörigen Steuermagneten als auch durch die Anzahl vorgesehener magnetoresistiver Elemente des Sensors. Die für hohe Auflösung erforderliche hohe Polpaarzahl besitzt jedoch gewöhnlich nur Pole mit relativ schwachen Feldstärken, so dass für eine hohe Auflösung mit überproportional steigenden Kosten für einen solchen Sensor zu rechnen ist.
Aus der DE 24 1 622 C3 ist es bekannt, zur Messung von Distanzen oder Drehwinkeln mittels elektrischer oder optischer Sensoren eine Anordnung mit einem beweglichen Teil, welches eine periodisch sich wiederholende mechanische oder optische Struk tur aufweist, mit mehr als einer Periode vorzusehen, wobei die Anordnung ferner ein feststehendes Teil zeigt, welches an drei Stellen optische Sensoren zur Erfassung optischer Signale aufweist, wobei die optischen Signale sich in Abhängigkeit von der Bewegung des beweglichen Teils sinusförmig ändern, einen im Wesentlichen gleichen jedoch phasenversetzten Verlauf aufweisen, dessen Phasenversatz bei Bewegung des beweglichen Teils für die beweglichen Signale untereinander im Wesentlichen gleich bleibt.
Aus der De 36 41 538 C2 ist eine Vorrichtung zur Lageerfassung mittels dreier Hallsensoren bekannt.
Die AT 38 7 655 B offenbart ein Verfahren zur Messung von Distanzen mit vier optischen Sensoren, aus denen drei phasenverschobene periodische Signale gebildet und ausgewertet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Verfahrensschritten, unter Verwendung kostengünstiger elektronischer Schaltungen und handelsüblicher Bauteile hier eine wesentliche Verbesserung zu schaffen, die für möglichst viele Sensortypen anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Ein vorzugsweise feststehender Teil eines Positionssensors erhält mindestens drei optisch, elektrisch oder magnetisch empfindliche Sensoren, welche ein elektrisches Signal abgeben.
Diese Sensoren werden durch ein bewegliches Teil des Positionssensors beeinflusst, wobei das bewegliche Teil eine mindes tens einmal vorhandene, vorzugsweise wiederholte periodische Struktur aufweist und die Struktur entweder mechanisch sein kann oder durch ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld gebildet wird. – Eine Struktur einer der genannten Art verändert ihre elektrischen, magnetischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften, z. B. Feldstärke oder -richtung, Abmessungen oder Transmissionsfähigkeit, periodisch über einzelne Elementarbereiche gemäß einer vorgegebenen Funktion. Eine solche mit mindestens einer Periode vorliegende Funktion ist sinusoidförmig, d. h. sie setzt sich aus einer Anzahl von Sinus- und Cosinusfunktionen zusammen, ist jedoch vorzugsweise mit wenig Oberwellen behaftet.
Bei Bewegung des beweglichen Sensorteils wird die zugeordnete Struktur mitbewegt. Dadurch werden die mindestens drei vorhandenen Einzelsensoren einer solchen Anordnung unterschiedlich aktiviert und geben entsprechend unterschiedliche elektrische Ausgangssignale ab. Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass solche Ausgangssignale einfach und trotzdem genau zu einem resultierenden Meßwert zusammengefaßt werden, wenn sie gemäß einer Integraltransformation, speziell einer Fourier-Transformation, zu einem Phasenlagenwert verdichtet werden. Hierbei werden die mindestens drei vorhandenen Meßwerte als Folge reeller Zahlen einer solcher Transformation unterzogen und liefern reellwertige Größen für Amplitude und Phase der 0., 1., 2. etc. sog. Harmonischen als Ergebnis, wobei die 1. Harmonische auch als Grundschwingung, die folgenden Harmonischen als Oberwellen bezeichnet werden.
Überraschenderweise kann insbesondere der Phasenlagenwert der ersten Harmonischen bzw. der Grundschwingung einer solchen, von Meßwerten einzelner Sensoren abgeleiteten Zahlenfolge, als direkter Kennwert für die jeweils eingenommene Position des beweglichen Teils des Positionssensors herangezogen werden.
Die Erfindung geht desweiteren von der Erkenntnis aus, daß eine Verbesserung der Meßergebnisse durch an sich bekannte Linearisierungsverfahren unter Zuhilfenahme von gerätetypischen oder -individuellen, vorbestimmten Linearisierungstabellen geschaffen wird.
Die weiteren Einzelheiten zu diesem Verfahren und praktisch anwendbare Ausführungsformen mit unterschiedlichen zugrundegelegten Sensoren sind in den Zeichnungen sowie in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Sensor-Anordnung mit einem rotorförmigen, mehrpoligen Magneten, dessen Magnetfeld auf drei etwa gleichförmig verteilt angeordnete Hall-Sensoren einwirkt, welche auf einem zylindrischen Rückschlußblech angeordnet sind.
2 eine erste Auswerte- und Anzeigeeinheit von Sensorsignalen
3 eine weitere Auswerte- und Anzeigeeinheit von Sensorsignalen
4 den Verlauf von Signalspannungen vs. Rotorstellungen
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Auswerteverfahrens für Sensorsignale bzw. Messwerte
6 einen Drehstellungsgeber mit hochpoligem Permanentmagnet-Rotor, magnetoresistiven Sensorelementen, Verstärkungseinrichtungen und einer Auswerteschaltung
7 eine lineare Abwicklung des Sensors der 6
8 einen Drehstellungsgeber mit Lichtschranken und Abschattungseinrichtung
9 einen Drehstellungsgeber oder Positionsgeber mit geschlitzter Abschattungseinrichtung
10 einen Drehstellungsgeber auf kapazitiver Grundlage mit festen Elektroden und beweglicher Koppelelektrode
11 eine Bestromungs- und Schalteinheit für den Drehstellungsgeber nach 10
12 einen weiteren Drehstellungsgeber auf kapazitiver Grundlage mit festen Elektroden und beweglicher Koppelelektrode
13 eine Funktion zur Zuordnung von Meßwerten zu wahren Werten
14 Brückenschaltungen für magnetoresistive Sensoren nach dem Stande der Technik
15 eine erfindungsmäßige Brückenschaltung mit magnetoresistiven Sensoren Die in 1 gezeigte Drehgeber-Anordnung zeigt einen im wesentlichen zylinderförmigen mehrpoligen Permanentmagneten 20 mit Nordpolen 18 und Südpolen 19. Die Magnetisierung ist so, daß in radialer Richtung in einigem Abstand vom Magneten ein Feldverlauf mit unterschiedlichem Vorzeichen vorhanden ist und die Feldstärke um den Umfang des Magneten etwa nach einer Sinusfunktion variiert.
Der zylinderförmige Magnet 20 kann über eine Achse 10 frei gedreht werden. Das in einiger Entfernung vorhandene, radial gerichtete Magnetfeld wird von mehreren Hall-Sensoren (11, 12, 13) registriert, welche vorzugsweise einen etwa gleichen Winkelabstand bezüglich des Achszentrums aufweisen, der auch wesentlich enger sein kann, als in der
1 gezeigt. Ebenfalls können auch mehr als drei solcher Hall-Sensoren vorhanden sein. Die Hall-Sensoren werden an ihren Eingängen 14, 15 mit vorzugsweise konstantem Strom gespeist, bei Bedarf auch in gepulster Form.
Je nach Vorzeichen und Stärke des gerade vorhandenen, von der Drehstellung des Rotors abhängigen Magnetfeldes, erzeugen die Hall-Sensoren an ihren Ausgängen 16, 17 ein unterschiedlich hohes Ausgangssignal. Diese Ausgangssignale sind in 4 mit Bezugsziffern 60, 61 und 63 gekennzeichnet und erreichen in der gezeichneten Anordnung zweimal pro Rotorumdrehung ein Maximum. Die Ausgänge der Hall-Sensoren sind an die Eingänge 40, 41, 42, 43, 44, 45 eines Signalformers geschaltet, wie in 2 gezeichnet.
Zur Verbesserung der Wirkungsweise des Drehstellungsgebers ist noch ein ferromagnetischer Rückschlußring 21 vorgesehen, der bei Bedarf entfällt.
Zur Auswertung der Signale der Vorrichtung nach 1 ist eine Auswerteeinheit erforderlich. Eine solche (5) wird in 2, eine weitere (6) wird in 3 dargestellt. – Wiewohl solche Auswerteeinheiten 5 bzw. 6 für Hall-Signale verwendbar sind, können auch andere Typen an Sensoren angeschlossen werden, wie das an späterer Stelle beschrieben wird. Das von einer Auswerteeinheit auszuführende Auswerteverfahren welches ebenfalls an späterer Stelle beschrieben wird, kann aber für viele verschiedene Sensor-Typen im wesentlichen gleichartig sein.
2 zeigt eine Auswerteeinheit 5, welche mehrere Signalformer 31, 32 und 33 umfaßt, welche die bereits genannten Eingänge 40, 41, 42, 43, bzw. 44, 45 zum Anschluß von Signalquellen besitzen. Die Signalformer weisen gewöhnlich Analog/Digital-Wandler (ADC) auf, können aber auch Spannungs/Frequenzwandler besitzen. Die Ausgänge der Signalformerstufen sind mit geeigneten Eingängen einer integrierten Elektronik 30, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, verbunden, welche ebenfalls Bestandteil der Auswerteeinheit 5 ist. Darüberhinaus besitzt diese Auswerteeinheit 5 bei Bedarf eine Anzeigeeinheit 34 welche durch die integrierte Elektronik ermittelten Meßresultate visualisieren kann. Solche Meßresultate können natürlich auch in direkter Weise durch eine nachgeschaltete Elektronik (hier nicht gezeichnet) übernommen und verwertet werden, zum Beispiel in einem nachgeschalteten Regelkreis mit einem Elektromotor, der eine vorgegebene Stellung einnehmen soll.
Eine ähnliche Auswerteschaltung 6 zeigt 3. Diese besitzt ebenfalls eine integrierte Elektronik 30 und eine Anzeigeeinheit 34. Der Signalformer aus 2 wird jedoch hier ersetzt durch eine Anordnung mehrerer Oszillatoren, 36, 37, 38, z. B. RC-Oszillatoren oder LC-Oszillatoren, deren Ausgänge jeweils auf die Eingänge von Zeitzähl/Impulszählstufen CTC (Counter/Timer-Circuit) der integrierten Elektronik 30 geschaltet sind. Die Oszillatoren verändern ihre Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von Widerstand, Kapazität oder Induktivität der an Eingänge 50, 51, 52, 53, 54, 55 geschalteten Sensor-Elemente. Die genannnten Widerstände oder Induktivitäten oder Kapazitäten sind widerum einzeln abhängig von der Drehstellung einer Achse eines zugehörigen Drehgebers, wie beispielsweise in 8 und 10 gezeigt. Die variablen Frequenzen der Oszillatoren 36 etc. werden durch die CTC-Stufen registriert und als digital vorliegende Maßzahlen der integrierten Elektronik 30 zugeführt.
Die Wirkungsweise des Zusammenspiels von Sensor-Elementen, z. B. 11, 12, 13, Permanentmagnet, integrierter Elektronik und Anzeigeeinheit wird in 4 und 5 verdeutlicht.
Wie im vorhergehenden bereits erläutert, erzeugen die Hall-Sensoren Ausgangssignale, welche sich sinusförmig mit fortschreitender Drehung des Rotors ändern. Sie weisen jedoch aufgrund der geometrischen Anordnung, wie z. B. in 1 gezeigt, einen Phasenversatz gegeneinander auf.
Diesen Zusammenhang zeigt 4, wobei von links nach rechts eine Rotorstellung zwischen 0 deg. mech. und 180 deg. mech. bzw. 0 deg. el. und 360 deg. el. dargestellt ist, während als Ordinate die Hallspannung aufgetragen ist.
Für eine gegebene Rotorposition phi x, Bezugsziffer 69, ergeben sich so drei Hallsignale 63, 64, und 65. Die Kombination der Werte dieser Signale ist erfindungsgemäß eine eindeutige Funktion der Winkelstellung phi des Rotors, d. h. aus den Meßwerten läßt sich eindeutig und mit hoher Auflösung ein Winkelwert rekonstruieren, der ein Kennwert für die tatsächlich eingenommene Position des Rotors ist. Hierzu wird eine numerische Analyse auf Basis einer Integraltransformation, z. B. einer diskreten Fouriertransformation (DFT, FFT) vorgenommen. Das gleiche Verfahren kann auch als Ermittlung eines Schwerpunktes gedeutet werden, welches den Schwerpunkt mehrerer, auf einer Ebene angeordneter einzelner Punkte bestimmt.
Das Prinzip des auszuführenden Rechengangs für eine DFT-Analyse zeigt 5.
Ausgehend von einem Ursprung 66 eines zweidimensionalen Koordinatensystems sind die Meßwerte 63, 64 und 65 der 4 als Vektoren eingetragen. Diese Vektoren weisen in drei unterschiedliche Richtungen, welche jeweils um 120 deg. differieren. Mit diesen Vektoren wird eine Vektor-Addition vorgenommen, sodaß ausgehend von Endpunkt 63 eines Vektors UH1 durch Addition des Vektors UH3 zunächst ein Zwischenpunkt 65' und von dort ausgehend durch Addition eines Vektors UH2 der Endpunkt 68 eines resultierenden Summenvektors 59 aufgefunden wird. Wie ersichtlich, liegt dieser Summenvektor 59 bezüglich des Vektors UH1 in einer Richtung, die um das Maß phi res, Bezugsziffer 67, von der gezeigten Referenzrichtung abweicht.
Dieses Maß ist erfindungsgemäß ein Maß für die Winkelposition des Magneten gemäß 1.
Sind mehr als drei Sensoren vorhanden, wird für jedes Ausgangssignal eines Sensors in ähnlicher Weise ein Vektor konstruiert, der vom Ursprung eines Koordinatenkreuzes ausgeht und dessen Länge dem Meßwert proportional ist. Je nach Anzahl n vorhandener Sensoren wird jedoch eine Winkeldifferenz 360 deg./n von Vektor zu Vektor gewählt. Das weitere Verfahren zur Auffindung von Größe und Phasenlage eines resultierenden Summenvektors ist in einem solchen Fall sinngemäß anzuwenden, d. h. alle n Vektoren sind vektoriell zu einem Summenvektor zu addieren.
Unter Berücksichtigung der Rechenregeln für vektorielle Addition wird ein Summenvektor erhalten, dessen Winkellage bezüglich einer festen Richtung im Koordinatensystem als Maß für die Winkellage des Rotors dient. Weitere Verfahrensschritte, wie z. B. die numerische Darstellung der Komponenten des Summenvektors als Summe der Komponenten der Einzelvektoren bzw. die numerische Ermittlung der Winkellage als Arcustangenswert vom Quotienten der Komponenten des Summenvektors sind dem Fachmann ebenso geläufig wie die formale Behandlung des gleichen Sachverhaltes mit komplexen Zahlen.
Der Erfindung liegt im weiteren die Erkenntnis zugrunde, daß das genannte Verfahren auch auf andere Sensoren anwendbar ist, nicht nur auf die genannten Hall-Sensoren.
Gleichzeitig ist es natürlich nicht auf Drehstellungsgeber beschränkt, sondern kann wie üblich auch auf äquivalente Systeme angewendet werden, welche linear angeordnet sind und ein linear bewegliches Teil besitzen.
Unabhängig von einem gewählten Sensortyp und der Ausführungsform eines zugehörigen Rotors oder anderen beweglichen Teils zur Beeinflussung solcher Sensoren, beinhaltet das Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotors oder beweglichen Teils stets folgende Voraussetzungen und erfordert folgende Verfahrensschritte:
An einem beweglichen Teil ist periodisch (mit mindestens einer Periode) ein Feld oder eine Struktur vorhanden oder es besitzt eine periodisch ausgehende Energieverteilung.
Die Sensoren sind an solchen Positionen angebracht, die einen definierten Phasenversatz in bezug auf die Periodizität des Energie- oder Feldmusters des Rotors haben. Bei drei Sensoren beträgt dieser Phasenversatz z. B. 120 deg. el., bei vier Sensoren 90 deg., bei fünf Sensoren 72 deg. el. usw.
Das Energie- oder Feldmuster oder die Struktur eines beweglichen Teils des Positionssensors besitzt sinusförmigen Verlauf oder sinusoidförmigen Verlauf.
Die Sensorsignale werden einzeln gemessen, die einzelnen Meßergebnisse werden zu Vektoren unterschiedlicher, vordefinierter Richtung gewandelt und zu einem Summenvektor zusammengefaßt.
Die Richtung des Summenvektors gegenüber einer vordefinierten Richtung, z. B. Koordinatenachse, wird als im wesentlichen direktes Maß für die Rotorstellung herangezogen.
Eine weitere erfindungsmäßige Anordnung, auf welche das genannte Verfahren Anwendung findet, ist in 6 und 15 gezeigt, wohingegen 14 eine Anordnung nach dem Stand der Technik zeigt. – Erfindungsgemäß ist folgendes vorgesehen:
Ein permanentmagnetischer, hochpolzahliger Rotor 70 ist um eine Achse 10 drehbar. Er besitzt Nordpole, z. B. 71, 73 und Südpole, z. B. 72, 74, die hier beispielsweise an der Rotorperipherie stirnseitig angeordnet sind. (Eine bevorzugte Ausführungsform plaziert die Magnete auf eine Kreisfläche des Rotors und verwendet eine ebene Anordnung vieler magn.resistiver Sensoren.) – Direkt gegenüber den Magnetpolen befindet sich ein erster Satz magnetoresistiver Widerstandsschichten 75, 76, 77, welche ihren Widerstand je nach Stärke des radial gerichteten Magnetfeldes ändern. Der Abstand von Schenkel zu Schenkel dieser Widerstandsschichten beträgt eine ganze Magnetpolbreite oder ein Vielfaches davon.
Die Sensoren weisen untereinander einen Phasen-Versatz auf, und zwar um das Maß Polpaarbreite/n , wobei n die Anzahl der Sensoren eines Sensor-Satzes ist. – In seitlichem bzw. umfangsmäßigem Versatz zu einem solchen ersten Satz Sensoren befindet sich ein zweiter Satz solcher magnetoresistiver Sensoren 75', 76', 77'.
Diese sind in Bezug auf den ersten Satz Sensoren so angeordnet, daß ihr Widerstand ein Maximum erreicht, wenn der zugeordnete Sensor des anderen Satzes ein Widerstandsminimum erreicht, und umgekehrt. Die Summe der Widerstandswerte zweier solcher einander zugeordneten Sensoren bleibt auf diese Weise also annähernd konstant.
Je zwei solcher einander zugeordneten Sensoren 75, 75', 76, 76', 77, 77' formen eine sog. Halbbrücke, d. h. sie sind in Serie geschaltet und werden mit einer konstanten Versorgungsspannung versehen. Der Verbindungspunkt beider solcher zugeordneten Sensoren besitzt eine Spannung, die sich je nach Rotorstellung um einen Wert in Höhe der Hälfte der Versorgungsspannung bewegt. Durch Magnetfeldeinfluß erhält aber ein Sensor eines Sensor-Paares eine Widerstandserhöhung. Der zugeordnete andere Sensor eines solchen Paares ist jedoch so angeordnet, daß seine Schenkel sich in einem feldarmen Raum befinden und geringeren Widerstand aufweisen. Dementsprechend ist die Spannung an der genannten Verbindungsstelle z. B. geringer als der exakte Mittelwert der Versorgungsspannung. Bei Bewegung des Rotors kehren sich die Verhältnisse um und zwar zyklisch, etwa gemäß einer Sinusfunktion.
Bei den restlichen Sensorpaaren existieren vergleichbare Voraussetzungen. Auch diese erzeugen an ihrer Verbindungsstelle Spannungen, die bei Rotorbewegung sinusförmig um den Mittelwert der Versorgungsspannung schwanken.
Die Signale, die an den Verbindungsstellen abgegriffen werden, weisen gegeneinander konstruktionsgemäß einen Phasenversatz vom geforderten Betrag, hier z. B. 120 deg. auf und werden einer der im vorhergehenden genannten Auswerteeinheit 5 oder 6 zugeführt und dort ausgewertet.
7 zeigt zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eine Abwicklung der Anordnung gemäß 6.
Obwohl die Widerstandsänderung herkömmlicher magnetoresistiver Materialien relativ gering ist, besitzen sie aber (ebenso wie Hall-Sensoren) den Vorteil extrem kleiner Zeitkonstanten, d. h. die Widerstandsänderung tritt praktisch sofort mit geändertem Magnetfeld ein.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt 8.
Hierbei handelt es sich um eine Anordnung von drei lichtempfindlichen Sensoren 90, 91, 92, die durch eine Abschattungsvorrichtung 100, z. B. in Form einer Scheibe, partiell gegenüber einfallendem Licht abgeschattet werden. Dieses Licht kann von einer Lichtquelle 96 stammen oder aber auch Tageslicht oder Umgebungslicht sein oder von einer sonstigen Lichtquelle stammen. Die Lichtquelle 96 wird z. B. über Anschlüsse 97 mit elektrischer Energie versorgt, sie sendet Lichtstrahlen 101 in Richtung der Abschattung 100. Die Abschattung wird per Achse 10' gedreht, hinter ihr befinden sich die lichtempfindlichen Sensoren, z. B. Photodioden, 90, 91, 92. Je nach Menge des einfallenden Lichtes generieren die Photodioden unterschiedlich hohe Spannungen, welche an den Abgriffen 93, 94, 95 abgegriffen werden. Die kreisförmige Abschattung ist exzentrisch zum Achsmittelpunkt 98 angeordnet, d. h. ihr eigener Mittelpunkt 99 wird um den Achsmittelpunkt 98 geführt. Die Exzentrizität ist so gewählt, daß die Abschattung der Photodioden etwa zwischen 0% und 100% variiert. Aufgrund der exzentrischen Anordnung geschieht diese Änderung mit fortschreitender Achsdrehung nahezu sinusförmig. Wegen der konstruktiven Anordnung der Photodioden ergibt sich gleichzeitig der geforderte Phasenversatz (hier 120 deg.) der Ausgangssignale an den Abgriffen 93, 94, 95. Die weitere Verarbeitung dieser Ausgangssignale geschieht über die Auswerteeinheit 5, wie im vorhergehenden beschrieben. Die Photodioden können aber auch als Photowiderstände verwendet werden und sind dann mit den Eingängen der Auswerteeinheit 6 verbunden.
Dieses Schaltungsweise zeichnet sich durch vergleichsweise kostengünstigen Aufwand an Schaltmitteln aus.
In dieser Anordnung entspricht der durch eine Auswerteeinheit 5 oder 6 errechnete Winkel eindeutig der Winkelstellung der Achse bzw. der Abschattung, so daß keine Zähl-Maßnahmen erforderlich sind, um ganzzahlige Umdrehungs-Bruchteile voneinander unterscheiden zu können.
Demgegenüber zeigt 9 einen incrementalen optischen Positionssensor gemäß der Erfindung, bei dem eine zusätzliche Zähleinrichtung vorhanden ist. Diese ist in der integrierten Elektronik 30 zusätzlich eingebaut und nicht näher erläutert, da in der Regel zu diesem Zweck eine Mikroprozessorfunktion gemäß üblichem Stand der Technik mitverwendet werden kann.
Gegenüber bekannten Lösungen vergleichbaren mechanischen Aufbaus nach dem Stand der Technik sind die lichtempfindlichen Sensoren erfindungsgemäß jedoch mit einem Phasenversatz von ca. 1/3 der Gitterkonstanten der Abschattung 102 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden
Seite der Abschattung befindet sich eine Lichtquelle 96, die auch flächenhaft ausgebildet sein kann.
Auch die lichtempfindlichen Sensoren besitzen vorzugsweise eine flächige Ausdehnung und können sich über mehrere Gitterkonstanten erstrecken.
Sie benötigen im letzteren Falle eine (an sich bekannte) zusätzliche und feststehende eigene Abschattung mit gleicher Gitterkonstanten, um die Position der beweglichen Abschattung diskriminieren zu können.
Die Signale der lichtempfindlichen Sensoren werden an Ausgängen 93, 94 und 95 abgegriffen und ebenfalls gemäß oben angeführten Erläuterungen auf Eingänge der Auswerteeinheiten 5 bzw. 6 geschaltet.
Eine Verschiebung der Abschattung 102 um einen Bruchteil, z. B. um 1/50 der Gitterkonstanten, kann auf diese Weise quantitativ registriert werden. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, entweder kostengünstigere Abschattungen mit gröberer Struktur zu verwenden als nach dem Stand der Technik erforderlich oder alternativ bei einer Struktur der Abschattung eine wesentlich höhere Auflösung des Sensors zu erreichen. Es versteht sich, dass die linear gezeigte Anordnung der 9 völlig vergleichbar ist mit einer rotierenden Anordnung, welche die Abschattung 102 in Form einer sog. Strichscheibe aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor gemäß 10 und 11.
Die Anordnung besitzt einen feststehenden Teil mit Eingangselektroden 110, 111, 112 und Ausgangselektroden 114, 115. Gegenüber diesen ist eine bewegliche Koppelelektrode 135 verdrehbar angeordnet. Diese Elektrode ist über eine Achse (nicht gezeichnet) an ein drehendes Teil gekoppelt, dessen Drehstellung zu bestimmen ist.
Ein Oszillator 140 sendet kontinuierlich oder einzeln Pulse selektiv auf jeweils eine der Eingangselektroden 120, 121 und 123 der Anordnung. Hierzu dienen zwei Schalterbänke 142, 143, welche mit elektronischen Schaltern bestückt sind und durch eine Schalterbestätigung 144 angesteuert werden. Die Schalterbestätigung 144 wiederum ist Teil der integrierten Elektronik 30 und entspricht ebenfalls dem Stand der Technik, so dass sie hier nicht näher erläutert wird.
Jeweils eine der Eingangselektroden wird mit dem Ausgang des Oszillators verbunden, während die beiden anderen Eingangselektroden jeweils gegen Masse (Ground) geschaltet sind. Über die Koppelektrode 135 werden hochfrequente Signale in unterschiedlicher Höhe auf die Ausgangselektroden 114, 115 übergekoppelt, je nach Drehstellung der Koppelelektrode.
Die an den Ausgängen 131, 132, 133 auftretenden Impulse oder hochfrequenten Signalspannungen werden bei Bedarf durch einen abgestimmten oder breitbandigen Verstärker verstärkt, gegebenenfalls gleichgerichtet und einer Auswerteeinheit 5 oder 6 zugeführt.
Die Auswerteeinheit speichert die so erhaltenen Meßwerte zunächst in einem Zwischenspeicher der integrierten Elektronik ab. Hierauf schaltet die Schalterbetätigung 144 die Schalterbänke 142, 143 um, worauf die nächste Eingangselektrode bestromt wird und die beiden anderen gegen Masse (Ground) geschaltet werden. Auch dieser Vorgang ergibt drei weitere Meßwerte, die ebenfalls zwischengespeichert werden. In einem nächsten Arbeitsabschnitt wird sinngemäß auch die letzte der Eingangselektroden bestromt und die Signale der Ausgangselektroden registriert.
Auf diese Weise ergibt sich ein kompletter Satz von neun Meßwerten. Diese werden ebenfalls gemäß dem obig beschriebenen Verfahren zu einem resultierenden Meßwert zusammengefaßt, wobei in diesem Beispiel neun Vektoren addiert werden müssen, um einen resultierenden Kennwinkel für die Rotorposition bzw. Position der Koppelkapazität zu erhalten.
Eine weitere kapazitiv arbeitende Anordnung gemäß der Erfindung wird in 12 erläutert. Wie im vorhergehenden auch, existiert eine verdrehbare Koppelelektrode 151, deren Zentrum 150 mittels einer nicht gezeigten Achse gedreht wird. Diese Koppelelektrode koppelt ein ständig an der Sendeelektrode liegende konstante, hochfrequente Spannung über auf Empfangselektroden 160, 161, 162. Zur Vermeidung von direkter Einkopplung der Sendeelektrode auf die Empfangselektroden ist ein Schutzring 153 vorgesehen, der auf Massepotential gehalten wird. Ebenso existiert ein weiterer Schutzring 154 mit Massepotential an der Peripherie des feststehenden Teils der Anordnung, um die elektrostatischen Verhältnisse zu stabilisieren. Das hochfrequente Ausgangssignal wird über die Ausgänge 165, 166 und 167 ausgekoppelt und an die Eingänge einer Auswerteeinheit, z. B. 5, geschaltet. Die Amplitude dieser Signale ändert sich zyklisch mit der Drehung der Koppelelektrode, und wie im vorhergehenden bereits Beschriebenen wird auch hier durch eine Analyse der Höhe der einzelnen Meßwerte gemäß einer Vektoraddition auf eine Winkelposition der Koppelelektrode geschlossen, Diese Addition wird wie erwähnt durch die integrierte Elektronik durch geeignete Additionsverfahren ausgeführt wird.
Die erforderliche Addition kann übrigens dadurch vereinfacht werden, daß ein Teil der Additionen bereits effektiv durch paarweise zusemmengeschaltete Sensoren vorweggenommen wird.
Bei einem Positionssensor mit zum Beispiel vier Sensoren können je zwei diametral gegenüberliegende zusammengeschaltet werden, und zwar so, daß z. B. negativ wirkende Ausgänge miteinander verbunden werden und als Nutzsignal das an beiden positiv wirkenden Ausgängen vorhandene Signal abgegriffen wird. Dieses stellt somit ein für die weitere Signalverarbeitung korrektes Summensignal dar. In genannten Falle mit nur vier Sensoren kann aus den so gewonnenen zwei Summensignalen bereits direkt ein Gesamtvektor dargestellt werden.
Je nach Art und Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten Sensors ist die Beziehung zwischen ermittelter Position (Winkelwert) und tatsächlicher Position bzw. Drehlage mit Abweichungen versehen, die sich systematisch mit fortschreitender Drehbewegung des Drehteils eines Sensors wiederholen.
In diesem Falle wird eine verbesserte Übereinstimmung zwischen solchen Werten durch eine an sich bekannte Linearisierungsmaßnahme erzielt.
Hierzu wird in einer vorbereitenden Messung ermittelt, wie der Zusammenhang zwischen Meßergebnis und wahrem Winkelwert ist (13). Dieser Zusammenhang wird in Form einer Tabelle durch die integrierte Elektronik 30 festgehalten.
Diese Information wird von der integrierten Elektronik 30 dann während konkreter Meßläufe dazu benutzt, um ein rechnerisch ermittelte Meßergebnis für die Winkelstellung eines rotierenden Teils eines Drehgebers in einen wahren Winkelwert hoher Präzision umzusetzen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird so verfahren, daß mehrere einzelne Meß-Resultate zusammengefaßt werden zu einem einzigen Meßresultat. Auf diese Weise wird eine höhere Präzision des Meß-Resultats zu erlangt. Dieses Vorgehensweise wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch verbessert, daß den zu verabeitenden Sensor-Signalen ein relativ kleines Rausch-Signal überlagert wird, welches einen Mittelwert von ca. dem Wert der Auflösung der Auswerteeinheit besitzt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die direkte Zuordnung von errechnetem Meßwerte zu wahrem Positionswert eines beweglichen Positionssensorteils dadurch verbessert, daß die Sensorsignale als Funktion der Bewegung dieses Teils einen vorzugsweise sinusförmigen, d. h. oberwellenarmen Verlauf besitzen. Insbesondere ist es nützlich, bei z. B. sechs vorhandenen wirksamen Sensorsignalen insbesondere die fünfte und siebte Harmonische zu reduzieren, allgemein bei n wirksamen Sensorsignalen die (n – 1)te sowie die (n + 1)te Harmonische möglichst gering zu halten, wobei wie üblich unter 1. Harmonischer die sog. Grundschwingung verstanden wird.

Claims

Anordnung zur Messung von Drehwinkeln mittels elektrischer, optischer oder magnetisch wirkender Sensoren und mit folgenden Merkmalen: Es ist ein bewegliches Teil vorhanden, welches eine periodisch wiederholte mechanische oder optische oder magnetische oder elektrische Struktur aufweist mit mindestens einer Periode; es ist ein feststehendes Teil vorhanden, welches an mindestens drei Stellen optische, magnetische oder elektrische Sensoren, die optische oder magnetische Signale in ein elektrisches Signal umsetzen oder ein elektrisches Signal in ein anderes elektrisches Signal, vorzugsweise Stromsignal umwandeln, aufweist, zur Erfassung optischer, magnetischer oder elektrischer Signale, die sich in Abhängigkeit von der Bewegung des beweglichen Teils periodisch, vorzugsweise sinusoidförmig ändern und die bei Bewegung des beweglichen Teils einen im wesentlichen gleichen, jedoch phasenversetzten Verlauf aufweisen, wobei der Phasenversatz bei der Bewegung des beweglichen Teils für die Signale untereinander im wesentlichen gleich bleibt gekennzeichnet durch – eine Auswerteeinheit zur Integraltransformation jedes einem der Sensoren zugeordneten, elektrischen Signals, in der für jedes der elektrischen Signale ein eigener Vektor ermittelt und alle Vektoren ausgehend von einem ersten der Vektoren vektoriell addiert werden, wobei die Winkellage des Summenvektors bezüglich einer festen Richtung als Maß für den zu messenden Drehwinkel des beweglichen Teils dient.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einem sektorförmigen Bereich konzentriert sind oder in einem Bereich von der Form eines Vollkreises verteilt sind.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren auf einer zylindrischen Oberfläche abgeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren auf einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche angeordnet sind.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehstellungsgeber mit lichtempfindlichen Sensoren und einer Abschattungseinrichtung vorhanden ist.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagemelder mit lichtempfindlichen Sensoren und einer geschlitzten, gitterförmigen Abschattungsvorrichtung vorhanden ist.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine feststehende Anordnung von mindestens drei Elektroden vorhanden ist und mindestens eine bewegliche Koppelelektrode vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestromungs- und Schalteinheit für die feststehende Anordnung von Elektroden vorhanden ist.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnet mit mindestens einem Polpaar auf mindestens drei Hall-Generatoren einwirkt, welche ständig oder impulsmäßig mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Elektronik zur Auswertung von Sensorsignalen vorhanden ist, welche als Mikroprozessorschaltung ausgeführt ist oder mit einzelnen Analog- oder Digitalbausteinen aufgebaut ist.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren induktivitätsbehaftet oder kapazitätsbehaftet sind oder Widerstände darstellen, welche Induktivitäten, Kapazitäten oder Widerstände Teil eines RC-, LC- oder RLC-Oszillators sind.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass magnetoresistive Widerstände als Sensorelement verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände zu Halbbrücken zusammengeschaltet sind und in Form eines sog. Arrays auf einer kreisringförmigen, ebenen Fläche angeordnet sind oder auf einer zylindrischen oder Zylindersektor-förmigen Oberfläche angeordnet sind.
Anordnung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zählereinrichtung zur incrementellen Fortschaltung eines Zählers vorhanden ist, welcher Zähler modulo 360 deg. el. incrementiert bzw. decrementiert wird.
Verfahren zur Messung von Drehwinkeln mittels elektrischer, optischer oder magnetisch wirkender Sensoren mit einer Vorrichtung mit einem beweglichen Teil, welches eine periodisch wiederholte mechanische oder optische oder magnetische oder elektrische Struktur aufweist mit mindestens einer Periode und einem feststehenden Teil, welches an mindestens drei Stellen optische, magnetische oder elektrische Sensoren aufweist zur Erfassung optischer, magnetischer oder elektrischer Signale mit den Schritten: Bewegung des beweglichen Teils zur Erzeugung sich in Abhängigkeit von der Bewegung des beweglichen Teils periodisch, vorzugsweise sinusoidförmig ändernder optischer, magnetischer oder elektrischer Signale, die bei Bewegung des beweglichen Teils einen im Wesentlichen gleichen, jedoch phasenversetzten Verlauf aufweisen, wobei der Phasenversatz bei der Bewegung des beweglichen Teils für die Signale untereinander im Wesentlichen gleich bleibt; Umsetzen optischer oder magnetischer Signale in ein elektrisches Signal oder Uwandeln eines elektrisches Signal in ein anderes elektrisches Signal, vorzugsweise Stromsignal, durch die Sensoren gekennzeichnet dadurch, dass – jedes einem der Sensoren zugeordnete, elektrische Signal in einer Auswerteeinheit einer Integraltransformation unterzogen wird, wobei für jedes der elektrischen Signale ein eigener Vektor ermittelt wird und alle Vektoren ausgehend von einem ersten der Vektoren vektoriell addiert werden, wobei die Winkellage des Summenvektors bezüglich einer festen Richtung als Maß für den zu messenden Drehwinkel des beweglichen Teils dient.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass den Messsignalen von Einzelsensoren ein Rauschen überlagert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamt-Messresultat durch Mitteilung mehrerer Einzelmessresultate errechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensoren als Funktion einer Rotor- oder Läuferstellung periodisch verlaufende Messsignale erzeugen, welche bezüglich dieser Periodizität nur geringe Oberwellenanteile besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel des beweglichen Teils mittels einer Integraltransformation berechnet wird, insbesondere mittels einer Fouriertransformation oder einer Fourieranalyse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel des beweglichen Teils durch eine Phasenwertbestimmung für eine erste Harmonische (Grundschwingung) ermittelt wird, welche einer Zahlenfolge zugeordnet ist, die aus einer geordneten Folge von Messwerten besteht, welche von unterschiedlichen Sensoren erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der ersten Harmonischen einer zugrundegelegten geordneten Folge von Messwert-Zahlen zur Plausibilitätskontrolle des Messvorgangs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass Amplitude und Phasenlage (Richtung) der ersten Harmonischen einer zugrundegelegten Folge von Messwert-Zahlen durch eine Schwerpunktbestimmung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wert für den Drehwinkel des beweglichen Teils anhand einer gerätetypischen Korrekturtabelle korrigiert wird, um einen korrigierten Wert für den Drehwinkel des beweglichen Teils zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Größe eines Sensorsignals die Frequenz eines Oszillators verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal-Phasenversatz der elektrischen Signale im Wesentlichen 360 deg. el./Anzahl wirksamer Sensoren beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorhergehenden Verfahrensschritt zu einer größeren Anzahl äquidistanter Positionen eine Zuordnung von wahren Positionen zu gemessenen Positionen erfolgt, welche in Form einer Tabelle in einer integrierten Elektronik abgelegt wird, welche Zuordnung während späterer Verfahrensschritte dazu verwendet wird, direkt aus den Sensorsignalen errechnete Positionswerte mit einer Korrekturgröße zu versehen dass endgültig abgegebene Messresultate nahezu identisch sind mit einem theoretisch wahren Messresultat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der auszuführenden Vektorsummationen dadurch verringert wird, dass Sensoren mit Signal-Phasenversatz von 180 deg. el. zu einer Differenzsignalanordnung zusammengeschaltet werden und nur ein resultierendes Differenzsignal in die weitere Signalverarbeitung eingeht, so dass die Anzahl der auszuführenden Rechenschritte halbiert wird.