DE102014218712A1 - Rotation angle detection device based on polarization effect - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung (42) zum Erfassen eines Drehwinkels (28) basierend auf einer Geberstrahlung (45), umfassend: – eine radial von der Rotationsache (29) beabstandet (43) angeordnete Strahlenquelle (44) zum Abgeben der Geberstrahlung (45) wenigstens in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse (29), – ein radial von der Rotationsachse (29) beabstandet (43) angeordnetes Polarisationselement (46), das eingerichtet ist, basierend auf der Geberstrahlung (45) eine Strahlung (49) mit einer Polarisation abhängig vom zu erfassenden Drehwinkel (28) zu erzeugen, und – einen Messaufnehmer (51) zur Ausgabe eines vom zu erfassenden Drehwinkel (28) abhängigen Messsignals (50) basierend auf der polarisierten Strahlung (49), – wobei die Strahlenquelle (44) und das Polarisationselement (46) um den zu erfassenden Drehwinkel (28) gegeneinander beweglich angeordnet sind.The invention relates to a rotation angle detection device (42) for detecting a rotation angle (28) based on a transmitter radiation (45), comprising: - a radiation source (44) arranged radially from the rotation axis (29) for emitting the transmitter radiation (45) at least in the axial direction parallel to the axis of rotation (29), - a polarization element (46) arranged radially from the rotation axis (29), which is set up, based on the transmitter radiation (45) radiation (49) with a polarization dependent to generate the angle of rotation (28) to be detected, and - a sensor (51) for outputting a measurement signal (50) dependent on the angle of rotation (28) to be detected based on the polarized radiation (49), wherein the radiation source (44) and the Polarization element (46) are arranged to be detected rotation angle (28) against each other movable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels eines Objekts um eine Rotationsachse und einen Elektromotor mit der Drehwinkelerfassungsvorrichtung.The invention relates to a rotation angle detection device for detecting a rotation angle of an object about a rotation axis and an electric motor with the rotation angle detection device.
Aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Aufbau zu verbessern.It is an object of the invention to improve the known structure.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the features of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine auf dem Polarisationseffekt basierende Drehwinkelerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels eines Objekts um eine Rotationsachseeine radial von der Rotationsache beabstandet angeordnete Strahlenquelle zum Abgeben der Geberstrahlung in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse,
- – ein radial von der Rotationsachse beabstandet angeordnetes, mit dem drehbaren Objekt mechanisch verbindbares Polarisationselement, das eingerichtet ist, basierend auf der Geberstrahlung eine Strahlung mit einer drehwinkelabhängigen Polarisation zu erzeugen, und
- – einen Messaufnehmer zur Ausgabe eines vom zu erfassenden Drehwinkel abhängigen Messsignals basierend auf der polarisierten Strahlung,
- – wobei die Strahlenquelle und das Polarisationselement um den zu erfassenden Drehwinkel gegeneinander beweglich angeordnet sind.
- - A radially spaced from the axis of rotation arranged, with the rotatable object mechanically connectable polarization element, which is adapted to generate based on the encoder radiation radiation with a rotation angle-dependent polarization, and
- A sensor for outputting a measurement signal dependent on the angle of rotation to be detected, based on the polarized radiation,
- - Wherein the radiation source and the polarization element are arranged so as to be movable relative to one another about the angle of rotation to be detected.
Nachteilig an der eingangs als Stand der Technik angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist, dass die Helligkeitsauswertung prinzipbedingt von Helligkeitsschwankungen der optischen Strahlenquelle beeinflussbar ist, was zu entsprechend hohen Ungenauigkeiten bei der Erfassung des Drehwinkels führen kann.A disadvantage of the rotational angle detection device specified at the outset as prior art is that the brightness evaluation can be influenced by brightness fluctuations of the optical radiation source as a matter of principle, which can lead to correspondingly high inaccuracies in the detection of the rotational angle.
An diese Erkenntnis greift die angegebene Drehwinkelerfassungsvorrichtung mit der Überlegung an, nicht die Helligkeit der Strahlung für die Erfassung des Drehwinkels zu verändern sondern ihre Polarisation, weil diese durch Schwankungen bei der Abgabe der Strahlung aus der Strahlenquelle nicht beeinflussbar ist. Daher kann durch eine Erfassung des Drehwinkels basierend auf der Polarisation der Strahlung in einfacher Weise ein robuster Sensor bereitgestellt werden.The specified rotation angle detection device attacks this finding with the consideration of not changing the brightness of the radiation for detecting the angle of rotation but rather its polarization, because it can not be influenced by fluctuations in the emission of the radiation from the radiation source. Therefore, by detecting the rotation angle based on the polarization of the radiation, a robust sensor can be easily provided.
In einer Weiterbildung der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist die Strahlenquelle eine optische Strahlenquelle, die Lichtwellen aussendet, welche als elektromagnetische Transversalwellen beschreibbar sind, wobei jeder Welle eine zur Ausbreitungsrichtung orthogonale Polarisationsrichtung zugeordnet ist. Optische Strahlung wird durch andere Geberfelder, wie beispielsweise Magnetfelder nicht beeinflusst, so dass der Sensor auch in der Nähe anderer Sensoren kaum gestört werden kann. Außerdem ist von Vorteil, dass Lichtwellen keine für die anderen Sensoren störenden Geberfelder erzeugen.In a development of the specified rotation angle detection device, the radiation source is an optical radiation source which emits light waves which can be described as electromagnetic transversal waves, wherein each wave is associated with a direction of polarization orthogonal to the direction of propagation. Optical radiation is not affected by other donor fields, such as magnetic fields, so that the sensor can hardly be disturbed even in the vicinity of other sensors. In addition, it is advantageous that light waves do not generate any donor fields which disturb the other sensors.
In einer anderen Weiterbildung der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung kann das Polarisationselement eingerichtet sein, polarisierte Strahlung mit einer drehwinkelabhängigen Vorzugsrichtung abzugeben wenn es einer Geberstrahlung ausgesetzt wird. Vorzugsweise wird dabei unpolarisierte Geberstrahlung verwendet, was bedeutet, dass in der Geberstrahlung Wellen aller Polarisationsrichtungen vertreten sind. Unter einer Vorzugsrichtung soll die am häufigsten auftretende Polarisationsrichtung der abgegebenen Wellen verstanden werden. Eine ideale Polarisationseinrichtung würde nur Wellen abgeben, die exakt in einer Richtung schwingen, reale Polarisationseinrichtungen geben ein Gemisch von Wellen mit einer Vorzugsrichtung ab. Dreht sich das Polarisationselement um den zu erfassenden Drehwinkel, dann dreht sich auch die Vorzugsrichtung der abgegebenen Strahlung, wobei dann lediglich diese Vorzugsrichtung erfasst werden muss, um den Drehwinkel zu bestimmen. In another development of the specified rotation angle detection device, the polarization element can be set up to emit polarized radiation with a rotation angle-dependent preferred direction when it is exposed to a transmitter radiation. Preferably unpolarized donor radiation is used, which means that waves of all polarization directions are represented in the donor radiation. A preferred direction should be understood as the most frequently occurring direction of polarization of the waves emitted. An ideal polarizer would only emit waves that swing exactly in one direction, real polarizers emit a mixture of waves with a preferential direction. If the polarization element rotates about the angle of rotation to be detected, then the preferred direction of the emitted radiation also rotates, in which case only this preferred direction must be detected in order to determine the angle of rotation.
Zur Erfassung der Vorzugsrichtung der von der Polarisationsrichtung abgegebenen Strahlung umfasst die erfindungsgemäße Drehwinkelerfassungsvorrichtung einen Messaufnehmer mit vorzugsweise mehreren Detektoren, die dazu eingerichtet sind, auf unterschiedliche Polarisierungsrichtungen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit anzusprechen. In order to detect the preferred direction of the radiation emitted by the polarization direction, the rotation angle detection device according to the invention comprises a sensor with preferably a plurality of detectors which are adapted to respond to different polarization directions with different sensitivity.
Zur Konkretisierung der Ausbildung des Polarisationselements sind unterschiedliche Ansätze möglich. Denkbar wäre beispielsweise die Verwendung eines polarisierenden Strahlenteilers. In einer bevorzugten Weiterbildung der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung ist das Polarisationselement eine Polarisationsfilterscheibe zum Erzeugen der polarisierten Strahlung durch Filtern der Geberstrahlung. Eine derartige Polarisationsfilterscheibe ist kostengünstig, leicht und ausfallsicher in der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung verwendbar.To concretize the formation of the polarization element different approaches are possible. For example, it would be conceivable to use a polarizing beam splitter. In a preferred embodiment of the specified rotation angle detection device, the polarization element is a polarizing filter disk for generating the polarized radiation by filtering the Donors radiation. Such a polarizing filter disk is inexpensive, easy and failsafe usable in the specified rotation angle detecting device.
In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst die angegebene Drehwinkelerfassungsvorrichtung ein Reflexionselement, das ausgehend von der Strahlenquelle hinter der Polarisationsfilterscheibe angeordnet und eingerichtet ist, die gefilterte Geberstrahlung zurückzuwerfen. Auf diese Weise können die Strahlenquelle und die Messeinrichtungen axial an derselben Seite und somit am selben Träger angeordnet werden, wodurch die mechanische und auch die elektrische Anbindung in der Drehwinkelerfassungsvorrichtung vereinfacht werden kann.In an additional development, the specified rotation angle detection device comprises a reflection element which, starting from the radiation source, is arranged behind the polarization filter disk and is set up to reflect back the filtered transmitter radiation. In this way, the radiation source and the measuring devices can be arranged axially on the same side and thus on the same carrier, whereby the mechanical and also the electrical connection in the rotation angle detecting device can be simplified.
In einer weiteren Weiterbildung der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung umfasst der Messaufnehmer wenigstens einen Lichtintensitätsdetektor, der dazu eingerichtet ist, sein Messsignal in Abhängigkeit von der Intensität der auf ihn einfallenden Strahlung auszugeben. Der Lichtintensitätsdetektor könnte beispielsweise in einer bestimmten Polarisationsrichtung empfindlich ausgelegt werden. Dreht sich dann die oben genannte Vorzugsrichtung gegenüber der Polarisationsrichtung, in der der Lichtintensitätsdetektor empfindlich ausgelegt ist, erfasst der Lichtintensitätsdetektor je nach Drehwinkellage zwischen der Vorzugsrichtung der polarisierten Strahlung und der Polarisationsrichtung des Lichtintensitätsdetektor eine unterschiedliche Lichtintensität und gibt so das vom Drehwinkel abhängige Messsignal aus. In a further development of the specified rotation angle detection device, the sensor comprises at least one light intensity detector which is set up to output its measurement signal as a function of the intensity of the radiation incident on it. For example, the light intensity detector could be made sensitive in a particular polarization direction. Then rotates the above-mentioned preferred direction relative to the polarization direction in which the light intensity detector is designed sensitive, detects the light intensity detector depending on the angular position between the preferred direction of the polarized radiation and the polarization direction of the light intensity detector, a different light intensity and thus outputs the rotation angle-dependent measurement signal.
Alternativ könnte in einer besonderen Weiterbildung der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtung der polarisationsrichtungsempfindliche Lichtintensitätsdetektor aus einem Durchstrahlungspolarisationsfilter und einem nicht polarisationsrichtungsempfindlichen Lichtintensitätsdetektor gebildet werden, so dass auch ein einfacherer Lichtintensitätsdetektor verwendbar wäre.Alternatively, in a particular embodiment of the disclosed rotation angle detecting apparatus, the polarization direction sensitive light intensity detector could be formed of a transmission polarization filter and a non-polarization direction sensitive light intensity detector, so that a simpler light intensity detector could be used.
In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst die angegebene Drehwinkelerfassungsvorrichtung einen weiteren Lichtintensitätsdetektor im Messaufnehmer und einen weiteren Durchstrahlungspolarisationsfilter zwischen dem Polarisationselement und dem weiteren Lichtintensitätsdetektor, wobei der Durchstrahlungspolarisationsfilter und der weitere Durchstrahlungspolarisationsfilter eingerichtet sind, die polarisierte Strahlung in verschiedenen Strahlungsebenen passieren zu lassen. Die Verwendung eines weiteren Lichtintensitätsdetektors im Zusammenhang mit einem weiteren Durchstrahlungspolarisationsfilter erlaubt es, neben dem Drehwinkel selbst auch die Änderung des Drehwinkels, wie beispielsweise die Drehrichtung zu erfassen.In an additional development, the specified rotation angle detection device comprises a further light intensity detector in the sensor and a further transmission polarization filter between the polarization element and the further light intensity detector, wherein the transmission polarization filter and the further transmission polarization filter are arranged to pass the polarized radiation in different radiation planes. The use of a further light intensity detector in conjunction with a further transmission polarization filter makes it possible to detect not only the angle of rotation itself but also the change in the angle of rotation, such as the direction of rotation.
Daher sollte der Messaufnehmer zweckmäßigerweise eingerichtet sein, das Messsignal basierend auf einer mit dem Lichtintensitätsdetektor und dem weiteren Lichtintensitätsdetektor bestimmten Lichtintensität der durch die Durchstrahlungspolarisationsfilter gefilterten polarisierten Strahlung zu bestimmen.Therefore, the sensor should expediently be set up to determine the measurement signal based on a light intensity, determined by the light intensity detector and the further light intensity detector, of the polarized radiation filtered by the transmission polarization filters.
Prinzipiell können in dem Messaufnehmer beliebig viele Durchstrahlungspolarisationsfilter und Lichtintensitätsdetektoren zur Erfassung der polarisierten Strahlung verwendet werden, wobei jedoch die einzelnen Durchstrahlungspolarisationsfilter alle die polarisierte Strahlung in verschiedenen Strahlungsebenen passieren lassen sollten. Die Verwendung mehrerer Durchstrahlungspolarisationsfilter und Lichtintensitätsdetektoren hat den Vorteil, dass der Drehwinkel selbst dann mit einer ausreichenden Präzision erfasst werden kann, wenn die verwendeten Lichtintensitätsdetektoren eine unterschiedliche Lichtempfindlichkeit aufweisen.In principle, any number of transmission polarization filters and light intensity detectors for detecting the polarized radiation can be used in the sensor, but the individual transmission polarization filters should allow all the polarized radiation to pass through in different radiation planes. The use of a plurality of transmission polarization filters and light intensity detectors has the advantage that the rotation angle can be detected with sufficient precision even if the light intensity detectors used have a different photosensitivity.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Motor
- – einen Stator,
- – einen relativ zum Stator drehbar angeordneten Rotor,
- – eine Antriebseinrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Drehfeldes zur Erzeugung eines zwischen Rotor und Stator wirkenden Drehmoments basierend auf einem Drehwinkel des Rotors relativ zum Stator, und
- – eine der angegebenen Drehwinkelerfassungsvorrichtungen zum Erfassen des Drehwinkels für die Antriebseinrichtung.
- A stator,
- A rotor rotatable relative to the stator,
- A drive device for generating an electromagnetic rotary field for generating a torque acting between rotor and stator based on a rotational angle of the rotor relative to the stator, and
- - One of the specified rotation angle detecting devices for detecting the rotation angle for the drive device.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in connection with the drawings, wherein:
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, the same technical elements are provided with the same reference numerals and described only once.
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft in einem in
Es wird auf
Das Fahrzeug
Das Betätigen der Bremseffektoren
Die über Bremssystemdruckleitung
Die Betriebssolldrücke
Alternativ oder zusätzlich können die Betriebssolldrücke
Es wird auf
Der Motor
In der vorliegenden Ausführung ist der Motor
Im Rahmen eines elektronisch kommutierten Elektromotors wird ein nicht weiter dargestelltes elektromagnetisches Drehfeld als Erregerfeld zwischen dem Stator
Wird das Erregerfeld ortsfest im Stator
Basierend auf dem Drehwinkel
Der Drehwinkel
Zur Erfassung des Drehwinkels
Dies soll nachstehend anhand der
Zur Erfassung der Vorzugsrichtung der Polarisation des zurückgeworfenen Lichts
Der Messaufnehmer
Die drei Durchlicht-Polarisationsfilter
Während der erste Lichtintensitätsdetektor
Die Signalwerte der einzelnen Zwischensignale
Nachstehend soll von einer Nullposition
In der Nullposition
Eine Auswerteschaltung
Werden der Rotor
Die Auswerteschaltung
Werden der Rotor
Die Auswerteschaltung
Werden der Rotor
Die Auswerteschaltung
Werden der Rotor
Um den Drehwinkel
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das polarisierte Licht
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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