CN102147266B - 用于获取多圈回转位置的位置发送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获取围绕旋转轴可旋转的轴的位置的位置发送器，具有第一光学传感器布置，用于获取轴的单圈回转位置，以及第二光学传感器布置，用于获取轴的多圈回转位置。

Description

用于获取多圈回转位置的位置发送器

技术领域

本发明涉及一种用于获取能够围绕旋转轴旋转的轴的位置的位置发送器。

背景技术

位置发送器装置通常用于监控和控制机械运动过程。例如，位置发送器用于马达的旋转速度的获得和控制。用于通过对可旋转轴的非接触的单圈回转或者多圈回转扫描以确定角位置的位置发送器在许多实施例中是已知的。

公开文件EP0550794描述了一种用于可旋转轴的绝对值位置获取的位置发送器，其具有第一传感器布置和第一评估单元，用于在一个完整的回转期间对轴的精确位置（即单圈回转位置）进行获取和评估，并且具有第二传感器布置和第二评估单元用于对所进行的全部的轴回转的圈数（即多圈回转位置）进行获取和评估。另外提供第三评估单元用于由单圈回转和多圈回转位置值形成总的绝对值，并用于将该总的绝对值输出到较高级别的系统。

此处单圈回转位置采用光学方式进行获取，即与轴连接的实物量具根据其位置影响被LED照射的发光二极管的布置的信号。此处多圈回转位置采用磁性方式进行获取，即与轴连接的实物量具根据其位置影响磁性开关元件的信号。在至位置发送器的外部电压供给关闭或者停止时，单圈回转位置的获取被关闭。由位置发送器内的电池提供的对多圈回转获取的供给继续保持。为了限制功耗，开关元件以高的欧姆电阻的形式采用电线串联连接，但是连续采用电流供应。根据位置接通或者关闭开关元件。

公开文献EP1462771描述了另一种位置发送器。通过中心地安装在旋转轴上的永磁体以及可旋转地安装的磁性传感器布置以磁性方式获取单圈回转位置。多圈回转位置也采用磁性方式获取。为了减少功耗，评估单元仅在测量时间段内间隔地将电流/电压施加到传感器部件上。由微控制器执行评估。在时钟频率降低和外围设备关闭的节能模式下进行扫描之间的暂停期间操作该微控制器。

然而由于现有技术中已知的位置发送器装置的多圈回转获取的磁性原理，当这种属性的位置发送器应用到电磁制动器附近时会带来实质的缺陷，并且开关元件的磁场耦合会导致错误的开关脉冲。

发明内容

针对现有技术，本发明旨在实现一种位置发送器，其对外界磁场不敏感。在本发明的进一步设计中，通过优化的设计和优化的传感器布置的操作以及通过获取和评估电子器件实现最紧凑和经济的结构以及最长可能的使用寿命。

上述目标由根据本发明的位置发送器实现。

所要求保护的测量装置涉及用于获取围绕旋转轴线可旋转的轴的位置的位置发送器，包括用于获取轴的单圈回转位置的第一光学传感器布置，和第二光学传感器布置，其用于获取，尤其是无齿轮获取轴的多圈回转位置。

这里，第一和第二光学传感器布置优选包括光敏元件，例如，光电二极管或者光电晶体三极管。因此多圈回转位置也是以光学方式获取。这有助于位置获取对磁场完全不敏感。

在另一改进中，根据本发明的位置发送器进一步包括照射装置，尤其是具有至少一个发光二极管的发光二极管布置。发光二极管布置例如能够具有正好一个发光二极管，发光二极管的光被两个传感器布置获取。在另一个实施例中，在每种情况下为传感器布置提供一个或多个发光二极管。

在又一改进中，位置发送器进一步包括至少一个，尤其是正好一个连接到轴的实物量具。可旋转地安装到轴上的实物量具可以包括单圈回转获取装置以及用于多圈回转获取的附加的装置。采用这种方式，无需独立的实物量具用于多圈回转获取，这依次减少了部件的数量，延长了使用寿命并提高了位置发送器的紧凑性。

在另一个改进中，连接到轴的至少一个实物量具包括第一实物量具和第二实物量具，其中第一实物量具适于获取单圈回转位置并且第二实物量具适于获取多圈回转位置。在这种方式中，第二实物量具可以形成为例如用于多圈回转获取的独立的发光二极管布置的单个的中断盘。

在另一个改进中，至少一个实物量具具有能够中断至与整个回转的一部分对应的第二光学传感器布置的光路的布置。采用这种方式可以获得例如，四分之一回转、半回转或者整个回转的多圈回转位置。

另一个改进在于，位置发送器包括用于单圈回转位置评估的第一评估单元；用于多圈回转位置评估的第二评估单元以及用于对单圈回转位置和多圈回转位置进行处理的控制/评估单元。因此，在第一或第二评估单元内可对来自第一和第二光学传感器布置的信号进行预处理，然后在控制/评估单元内计算总绝对值。

在另一个改进中，位置发送器至少具有两种操作模式，其中至少两种操作模式包括当施加外部电源供给的正常模式以及当外部电压供应断开或者停止时的节能模式。为了降低能耗，规定多圈回转位置获取的操作模式适于切断或停止外部电压供给，也就是，例如仅实施脉冲测量（即，相比回转周期的短期测量）。另外，规定单圈回转位置获取被部分地或全部关闭。

有利地，位置发送器配置成使得在节能模式下，仅采用第二光学传感器布置实施多圈回转位置的获取和/或在节能模式下关闭第一光学传感器布置和/或第一评估单元。

根据进一步改进的有利的实施例，替换或者追加地，在正常模式下，多圈回转位置也可以通过第一传感器布置确定，尤其地，多圈回转位置可以使用第一传感器布置和第二传感器布置确定并且实施两个所确定位置的对比。

由于前述两个改进，回转的获取可以限制到没有外部电压供给的时间，并且在具有外部电压供给的时间内也可以实施一个回转内的位置获取，由此提供具有诊断可能性的连续数据对比。

另一个改进中，位置发送器进一步包括电源，尤其地，是不可充电电池或者可充电电池的形式的电源。

在这个方面，首先，至少部分以节能模式供给电压至第二传感器布置和/或照射装置。因为，例如，光学传感器布置的光电二极管的能耗可以忽略，优选规定，连续地供给电流/电压。

其次，如果提供这种属性的电源，当外部电源供给关闭或者停止时，可以提供用于监测外部电压供给并用于将位置发送器的电源供给切换到电压源（17）的装置。

为了有效降低能耗，依赖于具有变化的接通时间的操作状态，例如周期地或以变化频率脉冲地，操作具有高能耗的实际驱动器是可行的，也就是操作照射装置（例如LED）。与现有技术相比，此处驱动器而非传感器周期地操作。

另一个改进在于，第二光学传感器布置的电压供给不随时间变化和/或照射装置的供给随时间变化，尤其是周期地或者随可变频率脉冲地变化。

另一个改进中，位置发送器进一步包括运动测量装置，使用运动测量装置可以测量轴的速度和/或加速度，使得根据所述测量可以实现照射装置的时变电压供给，尤其是电压供应的频率和/或发生频率和/或持续时间。另外，可以提供多个操作模式或者多个操作频率用于控制LED。在这种方式中，可实现特别有益的节能模式，因为在外部电压供给关闭或者停止时，轴不会旋转或者仅在低速以及低加速度下旋转。

另一个改进在于，控制和评估单元可配置为执行照射装置的时变电压供给。

另一个改进中，第一和第二光学传感器布置可集成在传感器部件内，尤其是ASIC。

另一个改进在于，将控制和评估单元可以类似地集成在ASIC内。在这种方式中，位置发送器内的部件数量可以减少并且使用寿命显著增加。同时，传感器和电子器件要求的空间减少。

本发明的其他特征和优点将根据参考附图在下面进行描述，仅说明实施例的实施方式，而不代表本发明的全部内容。不证自明，所描述的特征可在本发明的范围内结合而不是如实施例中的描述那样使用。

附图说明

附图1示出根据本发明的位置发送器装置一个实施例的部件。

附图2示出根据本发明的位置发送器另一个实施例和根据本发明的位置发送器的评估单元的框架图。

具体实施方式

光学扫描用于获取单圈回转位置。多圈回转位置的获取也采用光学方式。相对于公开文献EP0550794以及EP1462771中描述的现有技术来说，这是具有新颖性的，并且这有利于位置测量对磁场完全不敏感。

由于本文单圈回转位置获取和多圈回转位置获取都采用光学传感器实现，因此还可以将两个传感器布置都集成在相同的传感器模块中。另外，其他设备，例如评估单元、接口、输出驱动器以及用于LED的操作的、驱动和诊断的单元也可以集成在该传感器模块上。在这种方式中，位置发送器的部件数量可以极大地减少，服务寿命或MTTF（失效前平均时间（mean time to failure））也会大大地延长。同时，传感器和电子器件所要求的空间减少。

此处可旋转的安装在轴上的单圈回转获取的实物量具还可以包括用于多圈回转获取的装置。在这种方式中，不再需要单独的实物量具用于多圈回转获取，这依次减少了部件的数量且延长了服务寿命和提高了紧凑性。

为了降低功耗，规定当外部电压供应关闭或者停止时，多圈回转位置获取仅执行脉冲测量。然而由于光学传感器布置的用于EP1462771中的用途的传感器的光电二极管具有可忽略的能耗，优选地，规定或设置成连续提供电流/电压供应。为了有效地降低功耗，根据具有可变的接通时间的操作状态，例如间隔地或以变化频率脉冲地操作的状态，操作具有高功耗的实际驱动器，即LED的操作，是可行的。与EP1462771相比，此处是驱动器的周期或间隔的操作而非传感器的周期或间隔的操作。

如果打算在专用集成电路（ASIC）完成评估，旋转获取也可以限定到无外部电压供应的时间内并且也可以在外部电压供应的时间内由一个旋转内的位置获取接管，其中提供带有诊断可能性的连续数据比较如果打算在专用集成电路（ASIC）中进行完全的评估，回转获取还可以限制在没有外部电源供给的时间内，并且还可以通过一个回转内的位置获取在具有外部电源的时间内执行回转获取，由此对比连续的数据与诊断可能性。

在外部电压供给关闭或者停止状态用于回转计数器的操作的电源可为例如内部或者外部不可可充电电池或者外部或者内部可可充电电池。

附图1是根据在本发明的一个示例中示出的根据本发明的一种位置发送器装置。

一个回转内单圈回转位置的获取采用带有光敏元件，例如带有光电二极管或者光电晶体三极管的传感器布置12来实现，光敏元件可由发光二极管布置9通过光学实物量具10照射。

例如，在本实施例中，提供用于单圈回转位置评估的第一评估单元14、用于多圈回转位置评估的第二评估单元15（测量信号的预处理）以及例如用于确定轴位置的总绝对值的控制和评估单元16（对来自第一和第二评估单元14，15的信号进一步处理）。

根据位置发送器的运行状况，发光二极管布置9由控制和评估单元16，例如由微控制器根据需要通过恒定电流源驱动。此外，根据位置发送器的运行状况，由控制和评估单元16根据需要驱动单圈回转位置的评估和进一步处理。

类似地，根据位置发送器的运行状况，由控制和评估单元16根据需要执行单圈回转位置的评估和进一步处理。在应用外部电压供给的情况下，即在正常运行条件下，单圈回转位置也可以替代地或者附加地用于多圈回转传感器布置的获取和评估。采用这种方式可以检测到误差，并且扫描的可靠性增强。

多圈回转位置和/或旋转方向的获取，即一个回转的部分的获取（例如，四分之一，二分之一或者完整的回转）可以通过实物量具10的特定实施例完成，该实物量具适当地中断二极管和光接收器之间的光路。在这种连接中，可以使用实物量具10，其还可以用于单圈回转位置的获取。

在应用外部电压供给的情况下，即在正常操作条件下，发光二极管布置9可以例如连续通电。然而，发光二极管布置9也可以以可变的接通周期操作，例如周期性地或者以可变频率的脉冲。特别地，其还可以在部分时间里不通电。

当外部电压供给关闭或者停止时，即在节能模式下，发光二极管布置9可以以可变接通时间操作，例如周期地或者以可变频率脉冲地操作，与常规操作相比操作减少。通电的发生频率和持续时间随着第一探测信号改变而增加。

尤其有益的实施例为，当对于获取回转所必需的结构也布置在实物量具10上，由此无需额外的或附加的实物量具或者中断盘（参见图2）。

在外部电源供给关闭或者停止时，回转计数系统由电源供电。该电源17可为非可充电或者可充电电池。电源17可以集成到位置发送器中或者布置在位置发送器壳体的外侧。

LED的驱动，例如，频率、发生频率或者接通持续时间依赖于位置发送器的运行参数，例如，依赖于轴运动的速度和/或加速度。为了实现这，还可存在一种装置，其还在节能模式下帮助确定速度和/或加速度。另外，可以提供多种操作模式，例如多个操作频率用于控制LED。在这种方式中，可实现特别有益的节能模式，因为在外部电压供给关闭或者停止时，轴不会旋转或者仅在低速和低加速度下旋转。

附图2表示根据本发明的位置发送器装置的另一个实施例以及位置发送器评估单元的方框图。位置发送器用于可枢转地支撑的轴的绝对值位置获取，其中位置发送器包括一个与LED9连接的玻璃编码盘10和用于在一整个回转内获取位置的单圈回转传感器12；用于获取回转圈数和旋转方向的多圈回转传感器13；用于单圈回转位置评估的第一评估单元14；用于多圈回转位置评估的第二评估单元15以及控制和评估单元16。后者可以例如，由单圈回转位置和多圈回转位置形成总绝对值并将其通过接口输出。另外，控制和评估单元16能够控制LED9的接通和关闭，例如在电源电压停止（已经结合附图1进行描述）情况下短期测量间隔（脉冲测量），其中控制和评估单元16此后由电源17（非可充电电池或者可充电电池）供以电流/电压。

另外，附图2示出用于监控外部电压供给并用于当外部电压供给关闭或者停止时切换到电源17的装置18。

另外，系统的优化扩展可通过将光接收器集成进光电-ASIC中实现。通过光电ASIC内较高的、可实现的处理速度，电池模式下的功耗可以进一步降低并且扫描系统容限频率增大。

Claims (15)

1.用于获取围绕旋转轴线（3）可旋转的轴（4）的位置的位置发送器，包括：

第一光学传感器布置（12），用于获取所述轴的单圈回转位置，以及

第二光学传感器布置（13），用于无齿轮获取所述轴的多圈回转位置，

控制评估单元（16），用于进一步处理单圈回转位置和多圈回转位置，其中，所述位置发送器包括施加外部电源供给的正常模式和在外部电压供给切断或者停止状态下的节能模式，

其特征在于，

配置有用于单圈回转位置的评估的、分开的第一评估单元（14）和用于多圈回转位置的评估的、分开的第二评估单元（15），并且，在正常模式下能够附加地通过第一光学传感器布置确定所述轴的多圈回转位置并且能够实施两个所确定的多圈回转位置的比较，提供具有诊断可能性的连续数据对比，并且能够检测误差和增强扫描的可靠性。

2.根据权利要求1的位置发送器，其进一步包括照射装置（9），所述照射装置（9）是具有至少一个发光二极管的发光二极管布置（9）。

3.根据权利要求1或2的位置发送器，进一步包括至少一个连接到所述轴的实物量具（10），所述实物量具（10）是正好一个连接到轴的实物量具（10）。

4.根据权利要求3的位置发送器，其中所述至少一个连接到所述轴的实物量具包括第一实物量具（10）以及第二实物量具（11），其中第一实物量具适于单圈回转位置的获取并且第二实物量具适于多圈回转位置的获取。

5.根据权利要求4的位置发送器，其中所述至少一个实物量具具有中断至与整个回转的一部分对应的第二光学传感器布置的光路的布置。

6.根据权利要求1的位置发送器，其中所述位置发送器配置为使得在节能模式下，仅采用第二光学传感器布置执行多圈回转位置的获取和/或在节能模式下关闭第一光学传感器布置和/或第一评估单元。

7.根据权利要求1或2的位置发送器，其中进一步包括电源（17），所述电源（17）是不可充电电池或可充电电池的形式，以及用于监测外部电压供给并用于在外部电压供给切断或者停止时将位置发送器的电源供给切换到电源（17）的装置。

8.根据权利要求7的位置发送器，其配置使得在节能模式下，第二传感器布置和/或与权利要求2结合时的照射装置，在至少一部分时间内被供给电压。

9.根据权利要求8的位置发送器，其中第二光学传感器布置的电压供给不随时间变化和/或照射装置被供给时变电压，所述时变电压是周期地或者以可变频率脉冲地供给电压。

10.根据权利要求8或9的位置发送器，其进一步包括运动测量装置，使用运动测量装置能够测量所述轴的速度和/或加速度，使得根据所述测量能够实现照射装置的时变电压供给。

11.根据权利要求10的位置发送器，其中照射装置的时变电压供给是电压供给的频率和/或发生频率和/或持续时间的时变电压供给。

12.根据权利要求8或9的位置发送器，其中控制评估单元配置用以实现照射装置的时变电压供给。

13.根据权利要求8或9的位置发送器，其中第一和第二光学传感器布置集成在传感器部件上。

14.根据权利要求13的位置发送器，其中第一和第二光学传感器布置集成在ASIC上。

15.根据权利要求13的位置发送器，其中控制评估单元也集成在ASIC内。