DE19959425A1 - Movement measuring apparatus with increased resolution especially for measuring rotation rate of a rotor - Google Patents
Movement measuring apparatus with increased resolution especially for measuring rotation rate of a rotorInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetisch arbeitende Messeinrichtung zum Erfassen der Drehzahl einer rotierenden oder der Geschwindigkeit einer linearen Bewegung eines Objekts mit ggf. auch Bestimmung der augenblicklichen Winkelstellung bzw. Position dieses Objekts.The present invention relates to a magnetic working measuring device for detecting the speed of a rotating or the speed of a linear movement of an object with possibly also determining the current one Angular position or position of this object.
Bekannt ist es, zur Drehzahl- und/oder Winkelpositions- Messung rotierender Wellen, Räder und dgl. Werkstücke als je weiliges Objekt magnetische Sensoren zu verwenden. Man sieht dafür Hall-Sensoren, GMR-(Giant Magnetic Resonance-) Senso ren, (quadrierende) AMR-(Anisotrop-Magneto-Resistance-) Sen soren u. a. vor, mit denen am Ort des Sensors zeitlich auftre tende Änderungen einer Magnetflussdichte und/oder -richtung erfasst werden. Der Sensor ist dazu möglichst nahe dem rotie renden äußeren Umfang der Welle, des Rades und dgl. positio niert, und zwar im Bereich eines vorgesehenen Magnetfeldes. Es kann dies ein Permanent- oder Elektro-Magnetfeld sein, das am Ort des Sensors von außen bis in das Material der Welle, des Rades oder dgl. reichend erzeugt ist. Dieses Feld kann aber auch von einem Magneten herrühren, der an der Welle, dem Rad und dgl., nämlich bei der Rotation am Sensor vorbeilau fend, angeordnet ist.It is known for speed and / or angular position Measurement of rotating shafts, wheels and the like. Workpieces as ever object to use magnetic sensors. One sees instead Hall sensors, GMR (Giant Magnetic Resonance) Senso ren, (squaring) AMR (anisotrop-magneto-resistance) sen sensors and a. with which occur at the location of the sensor changes in a magnetic flux density and / or direction be recorded. For this purpose, the sensor is as close as possible to the rotie renden outer periphery of the shaft, the wheel and the like. Positio kidney, in the area of an intended magnetic field. It can be a permanent or electric magnetic field that at the location of the sensor from the outside to the material of the shaft, of the wheel or the like is sufficiently generated. This field can but also come from a magnet attached to the shaft, the Wheel and the like, namely past the sensor when rotating fend, is arranged.
Wesentlich für die vorgesehene Messung mittels des Sensors ist es, dass abhängig von der Drehzahl und/oder der Winkelpo sition der Rotation der vorgesehene Sensor in an sich bekann ter Weise ein unterschiedliches Maß der magnetischen Fluß dichteänderung/-richtung erfassen kann. Zur Realisierung sol cher unterschiedlicher magnetischer Flussdichten/-richtungen ist es z. B. bekannt, auf dem Umfang des z. B. Rades, dessen Rotation zu erfassen ist, einen einzelnen Permanentmagneten oder eine Vielzahl, auf dem Umfang umlaufend äquidistant ver teilte Permanentmagnete als Pol(e) anzuordnen. Eine andere Ausführungsform ist z. B. die, den Umfang mit Zähnen, Ausstan zungen und dgl. Marken als Pole zu versehen, nämlich mit dem Ergebnis, dass sich in einem überlagerten Magnetfeld infolge auf dem Umfang hinsichtlich der Permeabilität örtlich unter schiedlicher Verhältnisse bei Rotation zeitlich wechselnde Magnetflusswerte ergeben und diese vom Sensor erfasst werden.Essential for the intended measurement using the sensor it is that depending on the speed and / or the angular position the rotation of the intended sensor in itself ter way a different degree of magnetic flux change / change in density. To realize sol different magnetic flux densities / directions is it z. B. known on the scope of z. B. Rades, whose Rotation is to be recorded, a single permanent magnet or a large number of circumferential equidistant ver shared permanent magnets to arrange as pole (s). Another Embodiment is e.g. B. the, the extent with teeth, punching tongues and the like brands as poles, namely with the Result that resulted in a superimposed magnetic field on the scope of permeability locally below different ratios with rotation changing over time Magnetic flux values result and these are detected by the sensor.
Für Fälle des Erfassen linearer Bewegung ist die Anordnung bzw. Ausführung im Prinzip derart, als handle es sich um z. B. ein Rad mit unendlich großem Durchmesser und dabei um einen quasi linearen Abschnitt von dessen Umfang.The arrangement is for cases of detecting linear motion or execution in principle as if it were z. B. a wheel with an infinitely large diameter and around one quasi-linear section of its scope.
Es besteht großes Interesse daran, bei z. B. konstruktiv vor gegebener maximaler Anzahl Pole auf dem Umfang bzw. entlang des Abschnittes eine möglichst hohe Auflösung hinsichtlich des mit der Messeinrichtung erfassten Drehzahlwertes und/oder der festzustellenden, ggf. augenblicklichen, Winkelposition des rotierenden oder zum Stillstand gekommenen, z. B. Rades, und dgl. zu erzielen. Entsprechendes gilt für die ggf. augen blickliche Geschwindigkeit und/oder Position eines linear be wegten Objekts.There is great interest in z. B. constructively given maximum number of poles on the circumference or along of the section as high a resolution as possible the speed value recorded with the measuring device and / or the angular position to be determined, if applicable, at the moment the rotating or stopped, z. B. Rades, and the like. The same applies to the eyes, if applicable visible speed and / or position of a linear be moved object.
Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruches 1 und in Weiterbildung mit zusätzlich den Maßnahmen der Unteran sprüche gelöst.This task is with the teaching of claim 1 and in training with additional measures from the Unteran sayings solved.
Zum noch besseren Verständnis der Erfindung soll die nachfol gende Beschreibung von Ausführungsbeispielen dienen.For an even better understanding of the invention, the following serving description of exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform mit zwei Sensoren. Fig. 1 shows the principle of an embodiment according to the invention with two sensors.
Fig. 2 zeigt ebenso eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit mehr als zwei, hier als Beispiel drei, Sensoren. Fig. 2 also shows an embodiment according to the invention with more than two, here three as an example, sensors.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Signalverarbei tung, nämlich Fig. 3A für zweifache Sensoranordnung gemäß Fig. 1, Fig. 3B für dreifache Sensoranordnung gemäß Fig. 2. Fig. 3 shows an embodiment for the Signalverarbei device, namely Fig. 3A for double sensor arrangement according to Fig. 1, Fig. 3B for triple sensor arrangement according to Fig. 2nd
Fig. 4A, 4B zeigen sich ergebende Signaldiagramme. FIGS. 4A, 4B show diagrams of resulting signal.
Fig. 5 zeigt Ausführungsformen mit einem Referenzpolpaar, vorgesehen für die Bestimmung der (Winkel-)Position. Fig. 5 shows embodiments having a Referenzpolpaar provided for determining the (angular) position.
Fig. 6, 6A zeigt eine Weiterbildung. Fig. 6, 6A shows a development.
Fig. 6B zeigt eine Montageausführung für die Sensoren. Fig. 6B shows an exemplary mounting for the sensors.
Fig. 7 zeigt Stand der Technik. Fig. 7 shows the prior art.
Eine bekannte Ausführungsform für Drehzahlmessung, darge stellt in Fig. 7, umfasst einen einzelnen Sensor 11, z. B. einen Hall-Sensor. Dieser ist gegenüberliegend dem hier als gezahnt dargestellten Umfangsabschnitt U angeordnet. Dieser Umfangsabschnitt U gehört zu dem bewegten Objekt 12.A known embodiment for speed measurement, Darge represents in Fig. 7, comprises a single sensor 11 , for. B. a Hall sensor. This is arranged opposite the circumferential section U shown here as toothed. This peripheral section U belongs to the moving object 12 .
In der Fig. 7 (und ebenso in den noch nachfolgend beschrie benen Fig. 1, 2, 3, 5, 6) ist von dem jeweils dargestell ten Objekt 12 jeweils ein Anteil des z. B. peripheren Umfangs bereich U eines Rades mit so großem Durchmesser desselben dargestellt, dass die Darstellung in der Figur einen sich li near erstreckenden Gegenstand zeigt. Für ein Rad mit entspre chend kleinerem Rad-Durchmesser wäre das Objekt 12 gekrümmt darzustellen.In Fig. 7 (and also in the beschrie still below surrounded Fig. 1, 2, 3, 5, 6) is a fraction of z from the dargestell th each object 12 respectively. B. peripheral circumference area U of a wheel with such a large diameter that the illustration in the figure shows a li near extending object. For a wheel with a correspondingly smaller wheel diameter, the object 12 would be shown curved.
Diese Darstellungsweise erfasst somit auch den Fall eines li near bewegten Objekts, d. h. betrifft auch eine Messeinrich tung für messtechnische Erfassung einer linearen Bewegung. Der in den Figuren dargestellte Pfeil 13 soll auf Rotations- oder auf Linear-Bewegung des Objekts, und zwar gegenüber der Position des Sensors 11, hinweisen. This type of representation thus also covers the case of a linearly moving object, ie also relates to a measuring device for measuring a linear movement. The arrow 13 shown in the figures is intended to indicate rotational or linear movement of the object, specifically relative to the position of the sensor 11 .
Die Erfindung und deren Beschreibung erfasst somit im voran stehend erläuterten Sinne sowohl den Fall der Rotationsbewe gung als auch der Linear-Bewegung, der Drehzahlmessung und der Messung einer Lineargeschwindigkeit. Mit der Messeinrich tung kann entsprechend auch die augenblickliche Winkelstel lung bzw. auch die augenblickliche lineare Position des Ob jekts erfasst werden.The invention and its description are thus covered in advance standing explained both the case of the rotational movement tion as well as the linear movement, the speed measurement and the measurement of a linear velocity. With the measuring device the current angular position can accordingly lung or the current linear position of the Ob the object.
Mit 14 ist in Fig. 7 ein Magnet, z. B. ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet, mit seinem einen Polschuh gezeigt. Die ser ist z. B. als Nordpol N bezeichnet. Zum nicht dargestell ten Südpol des Magneten 14 bildet sich bekanntermaßen in ei ner solchen Messeinrichtung ein geschlossener Magnetfluß M aus, der auch den Zwischenraum zwischen dem Magneten 14 und dem ihm gegenüber positionierten Objekt 12 durchdringt. Die ser Magnetfluß M durchdringt damit auch den Sensor 11, mit dem das augenblickliche bzw. jeweilige Maß des Magnetflusses M am Ort des Sensors 11 gemessen werden kann. Wie aus der Fi gur ersichtlich, liegen bei Bewegung 13 des Objekts 12, vor bei am Magneten 14 und Sensor 11, zeitlich aufeinander fol gend unterschiedliche Abstände a1 und a2 zwischen dem Objekt 12 und dem Magneten 14 vor, je nachdem ob diesem ein vor springender Pol P oder eine zwischen zwei benachbarten Polen befindliche Pollücke des aus Pol und Pollücke P1 bestehenden Polpaares gegenübersteht. Die in Richtung der Bewegung 13 vorliegende Abmessung eines Poles ist mit L1 und diejenige einer Pollücke mit L2 bezeichnet. Die Abmessung L = L1 + L2 wird als Polpaarlänge L bezeichnet. Vielfach wird L1 = L2 be messen, notwendig ist dies jedoch nicht, oftmals aber die op timale Bemessung. Ein Radumfang ist in ganzzahlige Vielfache der Polpaarlänge aufgeteilt.With 14 in Fig. 7 is a magnet, for. B. an electromagnet or a permanent magnet, shown with its one pole piece. This is z. B. called North Pole N. As is not known, the south pole of the magnet 14 is known to form a closed magnetic flux M in such a measuring device, which also penetrates the gap between the magnet 14 and the object 12 positioned opposite it. The water magnetic flux M thus also penetrates the sensor 11 , with which the instantaneous or respective measure of the magnetic flux M can be measured at the location of the sensor 11 . As can be seen from the figure, there are different distances a 1 and a 2 between the object 12 and the magnet 14 , depending on whether this is present, when the object 12 is moving 13 , in front of the magnet 14 and sensor 11 , in time succession in front of jumping pole P or a pole gap located between two neighboring poles of the pole pair consisting of pole and pole gap P1. The dimension of a pole present in the direction of the movement 13 is denoted by L 1 and that of a pole gap by L 2 . The dimension L = L 1 + L 2 is called the pole pair length L. L 1 = L 2 is often measured, but this is not necessary, but often the optimal dimensioning. A wheel circumference is divided into integer multiples of the pole pair length.
Zumindest für einen jeweiligen Pol P ist ein Material vorge sehen, das eine wesentliche magnetische Permeabilität hat. Damit tritt im Zwischenraum, d. h. im Abstand a1 zwischen ei nem Pol P und dem Magneten 14 ein relativ hoher magnetischer Fluß auf, nämlich wesentlich höher als im Bereich des Abstandes a2 zwischen dem Magneten 14 und dem Boden der Pollücke P1.At least for a respective pole P a material is provided which has a substantial magnetic permeability. Thus occurs in the space, ie in the distance a 1 between egg nem P and the magnet 14, a relatively high magnetic flux, namely substantially higher than in the area of the distance a 2 between the magnet 14 and the bottom of the pole gap P1.
Die Fig. 7 zeigt die Position, in der im Bereich des Sensors 11 bei dann fortgesetzter Bewegung 13 sich die vom Sensor 11 zu messende Größe der magnetischen Flußdichte M von einem ho hen Wert bei dem geringen Abstand a1 zu einem niedrigen Wert derselben bei dagegen größerem Abstand a2 ändert. Der Augen blick der Änderung der Magnetflussdichte ist der Moment, in dem die Kante K1 des Pols P am Sensor 11 vorbeiläuft. Sinnge mäß das Gleiche gilt für dessen zweite Kante K2. Die Si gnaländerung an der einen Kante, z. B. K1, ist entgegengesetzt der an der anderen Kante K2. Sie bilden zusammen den jeweili gen Impuls im eigentlichen Sensor-Ausgangssignal bei z. B. ei nem Hall-Sensor. Fig. 7 shows the position in which in the area of the sensor 11 with continued movement 13 , the size of the magnetic flux density M to be measured by the sensor 11, from a high value at the small distance a 1 to a low value thereof, on the other hand greater distance a 2 changes. The instant the change in magnetic flux density is the moment when the edge K 1 of the pole P passes the sensor 11 . The same applies analogously to the second edge K 2 . The signal change at one edge, z. B. K 1 , is opposite to that on the other edge K 2 . Together they form the respective pulse in the actual sensor output signal at z. B. egg NEM Hall sensor.
Der Magnet 14 hat vorzugsweise und wenigstens angenähert die in der Figur dargestellte Längenabmessung L, damit dieser Ma gnet 14 sich in jeder augenblicklichen Position der Bewegung 13 des Objekts 12 über wenigstens Anteile von Polen und Pol lücken erstreckt, die zusammen stets so lang wie eine Pol paarlänge L sind. Damit ist für den Magnetfluß M auch hier der magnetische Widerstand stets gleichbleibend groß.The magnet 14 has preferably and at least approximately the length dimension L shown in the figure, so that this magnet 14 extends in every instantaneous position of the movement 13 of the object 12 over at least portions of poles and pole gaps, which together are always as long as one pole pair length L are. The magnetic resistance M is always constant for the magnetic flux M here, too.
Es ist ersichtlich, dass die mit einer solchen bekannten Mes seinrichtung zu erzielende Auflösung, d. h. die Genauigkeit der Drehzahlmessung bzw. der Messung der Lineargeschwindig keit von der erwähnten Polpaarlänge, d. h. den Abmessungen L1 und L2 abhängt. Diese können jedoch in der Praxis nicht be liebig fein gemacht werden, wobei außerdem auch für den Ab stand a1 ersichtlich ein minimales Maß für den praktischen Anwendungsfall nicht unterschritten werden kann.It can be seen that the resolution to be achieved with such a known measuring device, ie the accuracy of the speed measurement or the measurement of the linear speed depends on the pole pair length mentioned, ie the dimensions L 1 and L 2 . In practice, however, these cannot be made arbitrarily fine, and in addition, for the position a 1, a minimum dimension for the practical application cannot be undershot.
Die Fig. 1 zeigt (gegenüber Fig. 7 vergrößert) eine Ausfüh rungsform gemäß der Erfindung mit erfindungsgemäß mehrfachen Sensoren 11 1, 11 2 zur Lösung der Aufgabe, vergleichsweise zur bekannten Ausführungsform der Fig. 7 eine höhere Auflösung des Meßergebnisses zu erzielen. Mit dieser und noch weiter unten zu erörternden zusätzlichen erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine genauere Bestimmung des Vorbeilaufs der Kanten K1 und K2 in der Messeinrichtung mit wiederum dem Magneten 14 und diesen beiden Sensoren 11 1 und 11 2 ermöglicht. Mit L = L1 + L2 ist wie in Fig. 7 auch hier die Polpaarlänge angegeben und hier vorzugsweise L1 = L2 bemessen, ohne dass dies in noch zu erörternden Grenzen für die Erfindung eine Beschrän kung sei. Fig. 1 shows (compared to Fig. 7 enlarged) an embodiment according to the invention with multiple sensors 11 1 , 11 2 according to the invention for solving the task of achieving a higher resolution of the measurement result compared to the known embodiment of FIG. 7. With this and additional measures according to the invention to be discussed further below, a more precise determination of the passage of the edges K 1 and K 2 in the measuring device with the magnet 14 and these two sensors 11 1 and 11 2 is made possible. With L = L 1 + L 2 , as in FIG. 7, the pole pair length is also given here and preferably L 1 = L 2 is dimensioned here, without this being a limitation for the invention within limits still to be discussed.
Die Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1 mit dreifach vorgesehenen Senso ren 11 1, 11 2 und 11 3. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 1 und denen der Fig. 7. Fig. 2 shows a further development of an inventive embodiment according to Fig. 1 with triple provided Senso ren 11 1, 11 2 and 11 3. The remaining reference numerals correspond to those of FIG. 1 and those of FIG. 7.
Diese mehrfache Anzahl Sensoren ist - wie noch nachfolgend näher ausgeführt wird - in einer oder gemäß einer Weiterbil dung (Fig. 6) auch mehreren Zonen mit (jeweils) der Länge einer Abmessung L/2, gesehen parallel der Bewegung 13, auf noch näher anzugebende Positionen verteilt angeordnet. Diese Abmessung L/2 wird im folgenden als Sensorzone Z bzw. Sensor zonen Z1, Z2, Z3, . . . Zn bezeichnet. Eine solche Sensorzone ist im Wirkungsbereich des/eines Magneten 14 bzw. dessen Magnet flusses M positioniert ausgewählt.This multiple number of sensors is - as will be explained in more detail below - in one or according to a further development ( FIG. 6) also several zones with (each) the length of a dimension L / 2, seen parallel to the movement 13 , to be specified in more detail Positions distributed. This dimension L / 2 is referred to below as sensor zone Z or sensor zones Z 1 , Z 2 , Z 3 ,. , , Z n denotes. Such a sensor zone is positioned in the effective range of / a magnet 14 or its magnetic flux M.
In Fig. 1 ist erfindungswesentlich der Abstand d der Senso ren 11 1 und 11 2 voneinander mit dem Maß ½ der halben Polpaar länge L, d. h. d = L/4 bemessen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der jeweilige Abstand d zwischen den Sensoren 11 1 und 11 2 einerseits und 11 2 und 11 3 andererseits mit ein Drit tel der halben Polpaarlänge L, d. h. mit L/6 bemessen.In Fig. 1 is essential to the invention, the distance d of the Senso ren 11 1 and 11 2 from each other with the dimension ½ of the half pole pair length L, ie d = L / 4 dimensioned. In the embodiment according to FIG. 2, the respective distance d between the sensors 11 1 and 11 2 on the one hand and 11 2 and 11 3 on the other hand is dimensioned with a third of half the pole pair length L, ie with L / 6.
Noch weitere Ausgestaltungen der Erfindung für noch höhere Auflösung des Meßergebnisses bestehen darin, dass eine noch größere Anzahl n Sensoren 11 1 bis 11 n vorgesehen ist. Diese innerhalb einer Sensorzone mit einer halben Polpaarlänge an geordnet, ergibt einen jeweiligen Abstand benachbarter Senso ren voneinander d = ½ L : n. Diese erfindungsgemäße Ausge staltung ergibt eine n-fache Erhöhung der Auflösung bei wie derum vorgegebener Polzahl, nämlich verglichen mit dem Stand der Technik mit nur einem einzigen Sensor innerhalb einer Polpaarlänge L.Still further refinements of the invention for an even higher resolution of the measurement result consist in that an even greater number n sensors 11 1 to 11 n is provided. This arranged within a sensor zone with half a pole pair length results in a respective distance between adjacent sensors from each other d = ½ L: n. This configuration according to the invention results in an n-fold increase in the resolution with a predetermined number of poles, namely compared to the state of the Technology with only a single sensor within a pole pair length L.
Die bei Vorbeilauf je eines der Polpaare des Objekts 12 von den erfindungsgemäß bemessen positionierten einzelnen Senso ren 11 1 bis 11 n zu erhaltenden Signale haben eine jeweils gleich große Phasenverschiebung zueinander, nämlich 180° : n. Formt man diese analogen Signale mit Hilfe eines Komparators um in digital verarbeitbare Rechteckspannungen und führt die se in wie noch näher zu beschreibender Weise exklusiven ODER- Gattern (XOR) zu, die in der Anzahl n-1 vorgesehen sind, so erhält man eine Grundfrequenz f des resultierenden Signals 41, 241, die dem n-fachen der Anzahl A der Polpaare des Ob jekts 12 pro Sekunde des Vorbeilaufs entspricht f = nA/sec. Daraus ergibt sich die n-fache Erhöhung der Auflösung im re sultierenden Meßergebnis aus den Signalen der Sensoren 11 1 bis 11 n. Mit anderen Worten hat das resultierende Signal die n-fache Anzahl von Impulsen pro an der Sensoranordnung vor beibewegter Polpaare.The signals to be obtained when each of the pole pairs of the object 12 passes by the individual sensors 11 1 to 11 n positioned according to the invention have an equally large phase shift with respect to one another, namely 180 °: n. These analog signals are shaped with the aid of a comparator in digitally processable square-wave voltages and feeds these in a manner to be described in more detail to exclusive OR gates (XOR), which are provided in the number n-1, then a basic frequency f of the resulting signal 41 , 241 is obtained which corresponds to the n -fold the number A of pole pairs of the object 12 per second of passing by corresponds to f = nA / sec. This results in the n-fold increase in the resolution in the resultant measurement result from the signals from the sensors 11 1 to 11 n . In other words, the resulting signal has n times the number of pulses per pole pairs moved in front of the sensor arrangement.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, nämlich eine n-fache Anzahl Sensoren, diese gleichmäßig im Abstand d = ½ L : n voneinander innerhalb einer Sensorzone Z mit der Abmessung L/2 angeord net, zu verwenden, kann man auch dazu benutzen, die Anzahl der Pole, d. h. der Polpaare bestehend aus Pol und Pollücke, die auf dem Umfang umlaufend angeordnet sind, zu verringern, und zwar ohne eine geringere Auflösung des Meßergebnisses hinnehmen zu müssen. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, ohne Einbuße an Auflösung im Meßergebnis den Abstand zwischen dem Objekt 12 bzw. seinen Polen und dem Magneten 14 zu erhö hen.The measure according to the invention, namely an n-fold number of sensors, which are arranged evenly at a distance d = ½ L: n from one another within a sensor zone Z with the dimension L / 2, can also be used to determine the number of poles, ie to reduce the pole pairs consisting of pole and pole gap, which are circumferentially arranged, without having to accept a lower resolution of the measurement result. The invention also offers the advantage of increasing the distance between the object 12 or its poles and the magnet 14 without loss of resolution in the measurement result.
Auch bei der Erfindung kann man, nämlich wie im Stand der Technik, sowohl Hall-Sensoren als auch GMR-Sensoren sowie auch quadrierende AMR-Sensoren als Sensoren 11 i einsetzen. Bei einer Anzahl n AMR-Sensoren vergrößert sich die n-fache Auflösung zusätzlich um den Faktor 2.In the case of the invention, too, namely, as in the prior art, both Hall sensors and GMR sensors and also squaring AMR sensors can be used as sensors 11 i . If there are n AMR sensors, the n-fold resolution increases by a factor of 2.
Bei der Verwendung von GMR-Sensoren und AMR-Sensoren wird das Objekt 12 auf dem beschriebenen Umfang U mit aktiven magnet feld-erzeugenden Polpaaren mit der wie oben beschriebenen und damit auch bei dieser Ausführung gültigen Polpaarlänge L be stückt. Der Magnet 14 entfällt dann. Damit wirkt bei dieser Ausführung ein der Bewegung des Objekts 12 entsprechend be wegter Magnetfluß auf die Sensoren 11. Als Rotor wird ein derart ausgeführtes Objekt als Polrad bezeichnet.When using GMR sensors and AMR sensors, the object 12 on the described circumference U is equipped with active magnetic field-generating pole pairs with the pole pair length L as described above and thus also valid in this embodiment. The magnet 14 is then omitted. Thus, in this embodiment, a movement of the object 12 corresponding to magnetic flux acts on the sensors 11 . An object designed in this way is referred to as a rotor as a rotor.
Fig. 3A zeigt eine Schaltungsanordnung mit den zwei Eingän gen 130 für die Signale der n = 2 Sensoren 11 1 und 11 2 der Ausführungsform der Fig. 1. Mit 30 sind Komparatoren, mit 31 und 32 deren jeweilige Ausgangssignale, mit 40 ein XOR-Gatter und mit 41 dessen Ausgangssignal bezeichnet. Fig. 3A shows a circuit arrangement having the two Eingän gen 130 for the signals of the n = 2 sensors 11 1 and 11 2 of the embodiment of FIG. 1. With 30 are comparators 31 and 32 whose respective outputs 40 an XOR Gate and designated 41 its output signal.
Die Fig. 4A zeigt die Diagramme dieser Signale 31, 32 und 41, wobei letzteres das erfindungsgemäß und aufgabengemäß 2fach höher aufgelöste resultierende Meßsignal ist. FIG. 4A shows the diagrams of these signals 31 , 32 and 41 , the latter being the resulting measurement signal with a resolution of 2 times higher according to the invention and task.
Die Fig. 3B zeigt zur Ausführungsform der Fig. 2 die Ein gänge 130 der drei Sensoren 11 1, 11 2 und 11 3, die Komparato ren 30, deren jeweiliges Ausgangssignal 131 bis 133, XOR- Gatter 40, 140 und deren Ausgangssignale 141, 241, wobei hier das Signal 241 das resultierende Meßsignal ist. Die Fig. 4B zeigt analog der Fig. 4A die zugehörigen Diagramme.The Fig. 3B shows the embodiment of FIG. 2, the A gears 130 of the three sensors 11 1, 11 2 and 11 3, the Komparato ren 30, the respective output signal 131 to 133, XOR gate 40, 140 and the output signals 141, 241 , here the signal 241 being the resulting measurement signal. FIG. 4B shows the associated diagrams analogously to FIG. 4A.
Wie oben bereits angegeben, läßt sich bei Anwendung der er findungsgemäßen Maßnahme, eine n-fache Anzahl Sensoren vorzu sehen, auch die augenblickliche Winkelposition oder lineare Position einer ausgewählten (Umfangs-)Stelle des Objekts mit n-fach höherer Auflösung messtechnisch erfassen. Zur Bestim mung z. B. der Winkelposition eines Rades als Objekt 12 ist in an sich bekannter Weise am Umfang U ein Referenzpol PR anstelle eines wie sonst üblichen Poles P vorgesehen. Die Fig. 5 zeigt dies als jeweiliges Beispiel mit dem Objekt 12'. Bei Vorbeilaufen dieses Referenzpoles PR an der bei der Erfindung mehrfachen Sensoranordnung 11 1 bis 11 n ist wie bekannt die Position aus dem Meßergebnis zu ermitteln.As already stated above, when using the measure according to the invention to provide an n-fold number of sensors, the instantaneous angular position or linear position of a selected (circumferential) position of the object can be measured with n-fold higher resolution. For determination z. B. the angular position of a wheel as object 12 , a reference pole P R is provided in a manner known per se on the circumference U instead of a pole P, as is usual. Fig. 5 shows this as the respective sample with the object 12 '. When this reference pole P R runs past the multiple sensor arrangement 11 1 to 11 n in the invention, the position is to be determined as known from the measurement result.
Das von den übrigen Signalen unterscheidbare Meßsignal, das am Referenzpol gewonnen wird, wird auch bei der Erfindung wie bekanntermaßen detektiert und zur Positionsbestimmung werden die auf ein solches Referenzsignal folgenden normalen Meßsi gnale der Sensoren gezählt.The measurement signal distinguishable from the other signals, the won at the reference pole, is also like in the invention are known to be detected and for position determination the normal measurement signals following such a reference signal gnale of the sensors counted.
Der Referenzpol kann sich von den übrigen Polen darin unter scheiden, dass bei diesem der Abstand a1 zwischen Pol und Ma gnet 14, nämlich von den übrigen Polen abweichend, messtech nisch unterscheidbar größer bemessen ist. Mit gleichem Ergeb nis kann auch die "Tiefe" a2 der wenigstens einen benachbar ten Pollücke verringert sein. Beide Maßnahmen wirken in glei cher Weise zum Zwecke der Identifizierung des Referenzpoles. Es kann für diesen Zweck auch die Maßnahme angewendet werden, innerhalb der Polpaarlänge L für den Referenzpol PR die Auf teilung der Längenabmessungen L1 zu L2 von der Aufteilung in den übrigen Polpaarlängen verschieden groß zu machen, d. h. dass L1 : L2 dort z. B. verschieden 1 ist.The reference pole can differ from the other poles in that the distance a 1 between the pole and the magnet 14 , namely deviating from the other poles, is dimensionally measurably larger. With the same result, the "depth" a 2 of the at least one adjacent pole gap can also be reduced. Both measures work in the same way for the purpose of identifying the reference pole. It can also be used for this purpose the measure within the pole pair length L for the reference pole P R to make the distribution of the length dimensions L 1 to L 2 different from the distribution in the other pole pair lengths, ie that L 1 : L 2 there e.g. B. is different 1.
Zum Verhältnis L1 : L2 ist zur Erfindung noch folgendes zu bemerken: Dieses Verhältnis muß innerhalb der Bedingung n-1 : n+1 kleiner L1 : L2 kleiner n+1 : n-1 für n größer/gleich 2 als erfindungsgemäße Vervielfachung n der Sensoren 11 1, 11 2 . . . 11 n liegen. Innerhalb und insbesondere weiter entfernt von diesen Grenzen ist das aufgabengemäße Ergebnis der Erfindung gewährleistet.Regarding the ratio L 1 : L 2 , the following should also be noted regarding the invention: This ratio must be within the condition n-1: n + 1 less than L 1 : L 2 less than n + 1: n-1 for n greater than or equal to 2 as the invention Multiplication n of sensors 11 1 , 11 2 . , , 11 n lie. The task-related result of the invention is guaranteed within and in particular further away from these limits.
Eine Weiterbildung der Erfindung, wie sie z. B. in den Fig. 1, 2 und 5 gezeigt ist, zeigen die Fig. 6 und 6A. Diese Weiterbildung besteht im wesentlichen darin, die 2-, 3- . . . n-fache Sensoren 11 1 . . . 11 n nicht nur innerhalb einer einzigen Sensorzone anzuordnen, sondern, insbesondere im Falle ei ner größeren Anzahl n, diese n Sensoren 11 1 . . . 11 n über mehr als nur eine einzige wie oben beschriebene Sensorzone mit je der Abmessung L/2 verteilt anzuordnen. Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem n = 9 Sensoren 11 1 bis 11 9 auf z. B. drei Sensorzonen Z1, Z2 und Z3 verteilt angeordnet sind, die sich im Raster der Polpaarlängen L erstrecken, wie dies auch der Fig. 6 zu entnehmen ist. Die Fig. 6 zeigt in jeder dieser drei Sensorzonen Z1, Z2 und Z3 - sinnvollerweise der Anzahl nach gleichmäßig verteilt - je drei Sensoren der Gesamtheit der hier willkürlich gewählten Anzahl von neun Sensoren. Zur Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe, mit dieser so weiter gebildeten Erfindung kommt die zu erfüllende Bedingung hinzu, dass sich jeder dieser hier neun Sensoren in der für den jeweiligen Sensor ausgewählten Sensorzone an einer jewei ligen erfindungswesentlich bestimmten Position befindet. Zur Bestimmung dieser Positionen für die bei diesem Beispiel vor gesehenen Sensoren 11 1 bis 11 9 geht man wie folgt beschrieben vor, wozu die Fig. 6A der nachfolgenden weiteren Erläuterung dieser Weiterbildung dient.A further development of the invention, as z. As shown in FIGS. 1, 2 and 5, FIGS. 6 and 6A. This training essentially consists of the 2-, 3-. , , n-fold sensors 11 1 . , , 11 n not only to be arranged within a single sensor zone, but, particularly in the case of a larger number n, these n sensors 11 1 . , , 11 n distributed over more than just a single sensor zone as described above, each with the dimension L / 2. Fig. 6 shows an example in which n = 9 sensors 11 1 to 11 9 z. B. three sensor zones Z 1 , Z 2 and Z 3 are distributed, which extend in the grid of the pole pair lengths L, as can also be seen in FIG. 6. Figs. 6 shows, in each of these three sensor zones Z 1, Z 2 and Z 3 - usefully the number distributed uniformly - three sensors of the entirety of the here arbitrarily chosen number of nine sensors. To achieve the object of the invention, with this invention further developed there is the condition that each of these nine sensors is located in the sensor zone selected for the respective sensor at a particular position which is essential to the invention. To determine these positions for the sensors 11 1 to 11 9 seen in this example, one proceeds as follows, for which FIG. 6A serves to explain this development further below.
Die Fig. 6A zeigt das Bild einer Sensorzone Z. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ist die Sensorzone Z in Bezug auf die dargestellte Position des Magneten 14, wie gezeigt, symmetrisch angeordnet. FIG. 6A shows the image of a sensor zone Z. Preferably, but not necessarily, the sensor zone Z is arranged symmetrically with respect to the position of the magnet 14 as shown.
Innerhalb der Zone Z mit der Abmessung L/2 werden, wie in der Fig. 6A gezeigt, der vorgegebenen Anzahl, hier n = 9, Sensoren entsprechend gleich viele äquidistante Positionen 1, 2, 3, . . . 9 bestimmt, nämlich als sollten diese neun Sensoren, ana log der äquidistanten Anordnung der drei Sensoren beim Aus führungsbeispiel der Fig. 3, in allein dieser einen Sensor zone Z mit der Abmessung L/2 äquidistant voneinander positio niert angeordnet werden. Wie aus der Fig. 6A ersichtlich, haben diese neun Positionen 1, 2, 3, . . . 9 untereinander je weils einen Abstand d = ½ L : 9 voneinander, d. h. einen Pha senunterschied von 180° : 9 zueinander. Ersichtlich haben diese neun Positionen bei entsprechend feiner Polpaarteilung bzw. gering bemessener Polpaarlänge L nur sehr geringen Ab stand voneinander. Links von der Position 9 und rechts von der Position 1 ist in Bezug auf das jeweilige Ende der Sen sorzone bzw. der Abmessung L/2 lediglich der Symmetrie halber der Abstand d/2 vorgesehen.Within zone Z with the dimension L / 2, as shown in FIG. 6A, the predetermined number, here n = 9, sensors corresponding to the same number of equidistant positions 1, 2, 3,. , , 9 determined, namely as if these nine sensors, ana log the equidistant arrangement of the three sensors in the exemplary embodiment from FIG. 3, in this sensor zone Z with the dimension L / 2 equidistantly arranged from each other. As can be seen from FIG. 6A, these nine positions 1, 2, 3,. , , 9 with each other a distance d = ½ L: 9 from each other, ie a phase difference of 180 °: 9 to each other. Obviously, these nine positions with a correspondingly fine pole pair pitch or a small pole pair length L were only very small from each other. To the left of position 9 and to the right of position 1, only the distance d / 2 is provided with respect to the respective end of the sensor zone or the dimension L / 2 for the sake of symmetry.
Sollte man bei entsprechend geringer Abmessung d und vorteil haft geringer Polpaarlänge L diese neun Positionen 1 bis 9 mit je einem Sensor 11, d. h. mit den Sensoren 11 1 bis 11 9 be setzen wollen, kann dies - wenn überhaupt durchführbar - ho hen konstruktiven Aufwand erfordern. Um auch dies Problem zu lösen, sieht diese Weiterbildung der Erfindung vor, diese neun Sensoren - wie schon oben erwähnt und in Fig. 6 gezeigt - auf die hier drei Sensorzonen Z1, Z2 und Z3 zu verteilen. Vorzugsweise wird man in der einen Sensorzone Z1 z. B. nur die erste, vierte und siebente Position mit einem Sensor 11 1, 11 4 und 11 7 besetzen. Innerhalb der zweiten Sensorzone Z2 besetzt man die zweite, fünfte und achte Position mit je einem Sensor 11 2, 11 5 und 11 8 und in der dritten Sensorzone Z3 die restli chen Positionen 3, 6 und 9 mit den Sensoren 11 3, 11 6 und 11 9. Die in der jeweiligen Polpaarlänge benachbarten Sensoren, z. B. 111 und 114 bzw. 114 und 117, haben dabei Abstände d' = 3.(1/2.L : 9) = 1/2.L : 3. Dies entspricht im übrigen den Nachbarabständen der Sensoren der Ausführungsform der Fig. 2.If you want to set these nine positions 1 to 9 with a sensor 11 , ie with sensors 11 1 to 11 9 be, with a correspondingly small dimension d and advantageously small pole pair length L, this can - if at all feasible - require a high level of design effort . In order to solve this problem as well, this development of the invention provides for these nine sensors - as already mentioned above and shown in FIG. 6 - to be distributed over the three sensor zones Z 1 , Z 2 and Z 3 here . Preferably one is in one sensor zone Z 1 z. B. only occupy the first, fourth and seventh positions with a sensor 11 1 , 11 4 and 11 7 . Within the second sensor zone Z 2 , the second, fifth and eighth positions are occupied by one sensor 11 2 , 11 5 and 11 8 and in the third sensor zone Z 3 the remaining positions 3, 6 and 9 with sensors 11 3 , 11 6 and 11 9 . The adjacent sensors in the respective pole pair length, e.g. B. 11 1 and 11 4 or 11 4 and 11 7 , have distances d '= 3. (1 / 2.L: 9) = 1 / 2.L: 3. This also corresponds to the neighboring distances of the sensors Embodiment of FIG. 2nd
Diese neun Sensoren liefern trotz ihrer wie oben beschrieben, dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung entsprechend plazier ten Aufteilung auf mehrere Sensorzonen hier beim Beispiel der Fig. 6, eine n = 9fache Auflösung im analog dem Prinzip der Fig. 3 und 4 verarbeitet ausgewerteten Signal. Dies ist das Dreifache der Auflösung der Ausführungsform nach Fig. 2, und zwar dies bei gleich großem Abstand (d' in Fig. 6 und d in Fig. 2 bei gleicher Polpaarlänge L) jeweils benachbart angeordneter Sensoren voneinander, d. h. bei gleich großem Aufwand bezüglich eng benachbarter Anordnung der Sensoren. In spite of their, as described above, this further development according to the invention, according to the placement of several sensor zones, here in the example of FIG. 6, an n = 9-fold resolution in the signal processed according to the principle of FIGS . 3 and 4. This is three times the resolution of the embodiment according to FIG. 2, namely with the same distance (d 'in FIG. 6 and d in FIG. 2 with the same pole pair length L) of sensors arranged adjacent to one another, ie with the same amount of effort in relation to one another closely adjacent arrangement of the sensors.
Die Fig. 6 zeigt, dass die Sensorzonen Z1 und Z2 einen Ab stand gleich einer halben Polpaarlänge (= L/2) voneinander haben. Dieser Abstand kann aber auch ein größeres ungeradzah liges (2p-1) mit p = 2, 3, 4, . . . einer halben Polpaarlänge betragen, wie dies für die Sensorzonen Z2 und Z3 mit p = 2 in Fig. 6 gezeigt ist. Diese Möglichkeit beruht auf der Pe riodizität der Polpaarlängen L. Wesentlich für die Erfindung bzw. für diese Weiterbildung ist, dass das Raster der 180° : n-Phasenverschiebungen der periodischen Ausgangssignale der Sensoren 11 1 bis 11 n eingehalten ist. Dieses Raster der Pha senverschiebungen ist aus der Fig. 4B bezüglich der Sensor signale 131, 132 und 133 für die dort drei Sensoren mit der jeweiligen Phasenverschiebung 180° : 3 zu ersehen. Fig. 6 shows that the sensor zones Z 1 and Z 2 have a distance equal to half a pole pair length (= L / 2) from each other. This distance can also be a larger odd number (2p-1) with p = 2, 3, 4,. , , half a pole pair length, as shown for the sensor zones Z 2 and Z 3 with p = 2 in FIG. 6. This possibility is based on the periodicity of the pole pair lengths L. It is essential for the invention or for this development that the grid of the 180 °: n phase shifts of the periodic output signals of the sensors 11 1 to 11 n is maintained. This grid of the phase shifts can be seen from FIG. 4B with respect to the sensor signals 131 , 132 and 133 for the three sensors there with the respective phase shift 180 °: 3.
Es kann von Vorteil sein, die vorgesehenen Sensoren 11 1 bis 11 n in einem Montagegenäuse einzubauen, in dem diese Sensoren untereinander dort jeweils den oben beschriebenen Abstand d = 1/2 L : n, nämlich auf den Positionen 1, 2, 3 bis n, von einander haben. Dies vereinfacht den Einbau in die Einrich tung und die Verdrahtung. Es können diese Sensoren aber ent sprechend der Lehre nach Fig. 6 auch aufgeteilt in dement sprechend mehreren einzelnen Gehäusen 11 1 eingebaut sein und diese Montagegenäuse sind auf die entsprechenden Sensorzonen Z1, Z2 und Z3 verteilt, wie dies Fig. 6B zeigt.It can be advantageous to install the sensors 11 1 to 11 n provided in an assembly housing, in which these sensors there each have the above-described distance d = 1/2 L: n, namely in positions 1, 2, 3 to n , from each other. This simplifies installation in the device and wiring. However, these sensors can accordingly to the teachings of FIG. 6 can also be divided into accordingly, a plurality of individual housings 11 1 may be incorporated and these Montagegenäuse are distributed to the corresponding sensor zones Z 1, Z 2 and Z 3, as shown in FIG. 6B.
Claims (9)
dass diese Sensoranordnung eine n-fache, n < 1, Anzahl Senso ren (11 1 . . . 11 i, 11 1+1, ... 11 n) umfaßt, die in der vorgesehe nen Bewegungsrichtung (13) aufeinander folgend zueinander ausgerichtet sind,
dass wenigstens eine Sensorzone (Z; Z1, Z2, Z3 . . .) mit je weils der halben Polpaarlänge (L) vorgesehen ist, in der/denen jeweils eine n-fache Anzahl Positionen 1, 2, . . . i, i+1, . . . n mit jeweils äquidistantem Abstand (d = ½ L : n) be nachbarter Positionen i, i+1 voneinander bestimmt ist/sind,
dass diese n-fache Anzahl Sensoren (11 1 . . . 11 i, 11 i+1, . . . 11 n) auf die Sensorzone (n) (Z; Z1, Z2, Z3 . . .) derart ver teilt angeordnet ist/sind, dass auf einer Position i mit i = 1 bis n der Positionen 1, 2, . . . i, i+1 . . . n der Sensorzo ne(n) (Z; Z1, Z2, Z3 . . .) nur der eine Sensor 11 i, mit i = 1 bis n der vorgesehenen Sensoren (11 1 . . . 11 i, 11 i+1, . . . 11 n) angeordnet ist, und zwar bei mehreren vorgesehenen Sensorzo nen (Z1, Z2, Z3 . . .) unabhängig davon in welcher dieser mehre ren Sensorzonen auf dieser jeweiligen Position i dieser je weils eine Sensor 11 i angeordnet ist, und
dass eine Auswerteschaltung mit einzelnen Eingängen (130 1 . . . 130 n) für die mit jeweils 180°. n phasenverschobenen Sensor signale der Sensoren (11 1-11 n) vorgesehen ist, die ein re sultierendes Signal mit der Grund-Frequenz f der pro Sekunde an der Sensoranordnung vorbeibewegten Anzahl A Polpaare (P, P1) des Objekts (12) liefert. 1. Device for measuring the speed of a movement ( 13 ) of an object ( 12 ), in particular the speed of a rotor, with this object 12 provided pole pairs (P, P1) with a pole pair length (L), with these pole pairs magnetic flux (M) provided in the device is to be influenced and this device comprises a sensor arrangement ( 11 ) positioned in the affected area of the magnetic flux (M) for the generation of sensor signals, as characterized by
that the sensor arrangement multiple n-a, n <1, Senso ren (. 11 1.. 11 i, 11 1 + 1, ... 11 n) which are aligned in the pre see NEN direction of movement (13) successively to each other are,
that at least one sensor zone (Z; Z 1 , Z 2 , Z 3 ...), each with half the pole pair length (L), is provided, in which an n times the number of positions 1, 2,. , , i, i + 1,. , , n is / are determined with an equidistant distance (d = ½ L: n) from adjacent positions i, i + 1,
that this n times the number of sensors ( 11 1 ... 11 i , 11 i + 1 ,... 11 n ) on the sensor zone (s) (Z; Z 1 , Z 2 , Z 3 ...) ver is / are divided that on a position i with i = 1 to n of positions 1, 2,. , , i, i + 1. , , n of the sensor zone (s) (Z; Z 1 , Z 2 , Z 3 ...) only the one sensor 11 i , with i = 1 to n of the sensors provided ( 11 1 ... 11 i , 11 i + 1 ,... 11 n ) is arranged, specifically in the case of a plurality of sensor zones provided (Z 1 , Z 2 , Z 3 ...) Irrespective of which of these multiple sensor zones at this particular position i each of these has a sensor 11 i is arranged, and
that an evaluation circuit with individual inputs ( 130 1 ... 130 n ) for each with 180 °. n phase-shifted sensor signals of the sensors ( 11 1 - 11 n ) is provided, which supplies a resultant signal with the basic frequency f of the number A pole pairs (P, P1) of the object ( 12 ) moving past the sensor arrangement per second.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999159425 DE19959425A1 (en) | 1999-12-09 | 1999-12-09 | Movement measuring apparatus with increased resolution especially for measuring rotation rate of a rotor |
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