CN102165285B

CN102165285B - 多匝旋转编码器

Info

Publication number: CN102165285B
Application number: CN2009801383130A
Authority: CN
Inventors: 埃尔玛·迈尔; 托马斯·舒尔曼; 迈克尔·沃尔特
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: US8825439B2; JP2012505390A; DE102008051083A1; CN102165285A; US20110196648A1; WO2010040601A2; EP2335028B1; WO2010040601A3; JP5306468B2; EP2335028A2

Abstract

多匝旋转编码器，具有：单匝编码盘(10)，抗扭地与轴(W)连接并具有代码道(11)，其可由单匝扫描单元(12)扫描以测定在轴(W)的一个旋转中的绝对位置；多匝单元(18，118)，用于测量旋转数据，该数据适于测定轴(W)旋转的数量；和评估单元(13)，其通过用于传输旋转数据的至少两个数字接口(25，35，45，125，135)与多匝单元(18，118)连接。本发明的特征在于，旋转数据包括至少两个数据字(24，34，44，124，134)，该数据字在轴(W)旋转时具有不同的变化速度；用于传输具有相对于评估单元(13)的最高变化速度的数据字的接口(25，35，45，125，135)是并行接口；以及用于传输具有相对于评估单元(13)的最低变化速度的数据字的接口(25，35，45，125，135)是串行接口。

Description

多匝旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种多匝旋转编码器，本发明特别涉及用于一种将旋转数据从多匝单元传输至评估单元的接口结构，该旋转数据用于测定轴进行过的旋转的数量。

背景技术

多匝旋转编码器在驱动技术中用于测量位置以及轴进行过的旋转的数量。这种多匝旋转编码器在现有技术中长期以来是已知的。多匝旋转编码器大多情况下包括：第一整体量具，由该整体量具的扫描中获得关于在一个完全旋转中的轴的位置的信息；以及一个或多个另外的整体量具，其扫描提供了关于轴进行过的旋转的数量的位置信息。

用于确定在轴的一个旋转中的位置的单元被概括为概念“单匝级”。用于测定在轴进行过的旋转的数量的方面的位置信息的单元形成了多匝单元。由单匝级和多匝单元的位置信息在评估单元中形成了共同的位置值，该位置值不仅包含至今为止进行过的完全的旋转的数量，而且也包含在当前的一个旋转中的绝对位置。

在现代的位置测量仪器中，作为评估单元经常使用了专用集成电路（ASIC），其在理想情况下已经包含了用于扫描单匝级的探测器以及用于将探测信号处理成位置值的必需的电路部分。如果应用光学的扫描原理，则探测器例如是指光电探测器阵列。在这种组合中也涉及Opto-ASIC。

为了扫描多匝单元中的第二整体量具而设有单独的扫描单元，其生成绝对形式的位置值。典型的多匝旋转编码器的多匝单元例如具有三个多匝级，其通过三级的、具有固定的传动系数的传动装置来驱动。轴向地安装在传动装置齿轮上的磁体可以用作为整体量具，其分别借助于霍尔传感器扫描，该传感器发出对应的传递装置齿轮的角度位置作为具有例如8个位元的分辨率的绝对值。该绝对值通过数字接口传输至评估单元。这种多匝旋转编码器例如在EP1076809B1中描述。

此外已知了多匝旋转编码器，其多匝单元具有计数器，该计数器由计数脉冲进行增加或减少，该计数脉冲在轴的每次完全旋转时产生。计数值在这种情况下直接反映了轴进行过的旋转的数量。计数值的典型的数据字宽度是18个位元。

对于从多匝单元到评估单元的数据传输迄今为止优选使用了并行接口，这是因为其可简单地实现并且达到了高的数据传输率。这种解决方案的不利之处在于需要很多信号导线。因此上述的三级的布置单独需要24条导线以用于传输三个8位元宽的数据字。为此还使用了多个控制导线。特别是当应该使用ASIC或Opto-ASIC作为评估单元时这是特别成问题的，这是因为所需要的连接垫（Anschlusspad）的数量直接影响芯片面积和进而影响每个ASIC的成本。

串行接口的使用同样也证明为是成问题的，这是因为简单的可利用较低投入安装在ASIC中的串行接口对于要求高的位置测量仪，例如为了测量高速心轴时，大多情况下过于缓慢并且高速的串行接口要求大的线路投入并且因此又对需要的芯片面积产生了负面影响并且导致了提高的成本。此外高速的串行接口要求带有陡的脉冲坡形的高的脉冲频率，其会因为对于信号处理、特别是单匝级的信号处理的串扰并且由于垫的需要的驱动器强度而导致高的耗电量。

发明内容

因此本发明的目的在于，提出一种具有改进的接口结构的多匝旋转编码器。

该目的通过根据本发明的多匝旋转编码器由此实现，即该多匝旋转编码器具有：单匝编码盘，其抗扭地与轴相连接并且具有代码道，该代码道可由单匝扫描单元扫描以用于测定在轴的一个旋转中的绝对位置；多匝单元，用于测量旋转数据，该旋转数据适于测定轴进行过的旋转的数量；评估单元，其通过用于传输旋转数据的至少两个数字接口与多匝单元相连接，其中，旋转数据包括至少两个数据字，数据字在轴旋转时具有不同的变化速度；和用于传输具有相对于评估单元的最高变化速度的数据字的接口是并行接口；以及用于传输具有相对于评估单元的最低变化速度的数据字的接口是串行接口。

现在提出了一种多匝旋转编码器，具有：单匝编码盘，该单匝编码盘抗扭地与轴相连接并且具有代码道，该代码道可由单匝扫描单元扫描以用于测定在轴的一个旋转中的绝对位置；多匝单元，用于测量旋转数据，该旋转数据适于测定轴进行过的旋转的数量；和评估单元，该评估单元通过用于传输旋转数据的至少两个数字接口与多匝单元相连接。本发明的特征在于，旋转数据包括至少两个数据字，该数据字在轴旋转时具有不同的变化速度；以及用于传输具有相对于评估单元的最高变化速度的数据字的接口是并行接口；以及用于传输具有相对于评估单元的最低变化速度的数据字的接口是串行接口。

串行接口不仅可以设计为点对点连接部也可以设计成总线连接部，其中总线连接部通过在评估单元上的与其相连接的、另外的插针的节省而变得特别有利。

当将ASIC用作为评估单元时，则本发明的优点特别明显，这是因为在此通过减少需要的连接插针的数量在不明显增大芯片面积的情况下实现了最佳的成本/效能-比例关系。

附图说明

由以下说明参照附图得出本发明的其它优点以及细节。图中示出：

图1示出了根据本发明的多匝旋转编码器的第一个实施例的原理结构，

图2示出了具有相对于第一个实施例的根据本发明的接口结构的框图，

图3示出了另一个根据本发明的接口结构的框图，

图4示出了根据本发明的多匝旋转编码器的第二个实施例的原理结构，

图5示出了具有相对于第二个实施例的接口结构的框图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的多匝旋转编码器的第一个实施例的原理结构。单匝级、也就是说用于测量轴W的旋转之内的位置值的装置包括单匝编码盘10，其中心点M抗扭地与需要测量的轴相连接并且支撑同心于中心点M布置的环形的代码道11。此外为了扫描代码道11和为了测定相应于单匝编码盘10的角度位置的绝对位置值，设有单匝扫描单元12。如果为了测量位置使用了光学的扫描原理，则代码道11例如包括由具有不同的光学特性的区域组成的线条模型，例如可透光的/不可透光的或反射的/不反射的。来自于光源的光线在代码道11的方向上发出，由该代码道进行调制并且最后接触到布置在单匝扫描单元12中的光电探测器。在此出于简明的原因未示出光源的视图。代码道11可以进行绝对编码或/和设计为增量的并且在一定条件下由多个并排布置的分道组成。

为了测量适于测定轴W进行过的旋转的数量的旋转数据，设有多匝单元18。该多匝单元在示出的实例中包括三个多匝级。这些多匝级中的每个都包括一个具有各一个编码元件21，31，41的多匝编码盘以及一个多匝扫描单元22，32，42。旋转数据是数据字24，34，44，其在多匝扫描单元22，32，42中测定。多匝编码盘20，30，40由需要测量的轴W通过三级的变速传动装置23，33，43驱动，其中在轴W旋转时，由第一传动级23驱动的第一多匝编码盘20具有最高的转速，以及由第三和同时也是最后的传动级43驱动的多匝编码盘40具有最低的转速。相应地，在多匝扫描单元22，32，42中产生的数据字24，34，44具有不同的变化速度，第一多匝级的第一数据字24具有最高的变化速度，第三和同时也是最后的多匝级的第三数据字44具有最低的变化速度。

当为此应用磁性的扫描原理时，获得了多匝级的一个特别简单的结构。在这种情况下，编码元件21，31，41包括盘形的永磁体，其与多匝编码盘20，30，40抗扭地连接并且具有各一个偶极子、也就是说磁性的北极N和南极S。特别有利的是，应用变速传动装置23，33，43的适合的齿轮作为多匝编码盘20，30，40。为了测定编码元件21，31，41的角度位置而对偶极子进行扫描借助于布置在各自的多匝扫描单元22，32，42中的霍尔传感器来实现。多匝扫描单元22，32，42的分辨率例如为8位元，也就是说多匝编码盘20，30，40的旋转分辨率为256个绝对的位置值并且以数据字24，34，44的形式来提供。

这样一种构造的多匝旋转编码器例如在EP1076809B1中描述。

为了对单匝级和多匝级的单独的位置值进行评估以形成总体位置值，设有评估单元13。评估单元13有利地是ASIC，在其上已经集成了单匝扫描单元12。如果单匝级，如上述地那样，根据光学的扫描原理构造并且ASIC也包含用于测定由代码道11调制的光线的探测器，则ASIC也称为Opto-ASIC。数据字24，34，44包含多匝级的绝对的位置值，该数据通过数字接口25，35，45传输至评估单元13，如下面描述地那样。

图2示出了根据本发明的用于将数据字24，34，44从多匝单元18传输至评估单元13的接口结构。由多匝单元18简化地仅仅示出了扫描单元22，32，42，其通过数字接口25，35，45与评估单元13相连接。

为了从单匝级和三个多匝级的单独的绝对的位置值中形成整体位置值，必需的是将其连接起来。在此特别重要的是，即每个编码盘的完全旋转的完成由下一个更慢的传动级的编码盘识别。

对于进一步的考虑，为变速传动装置23，33，43的三个传动级的每个设定1/16的传动系数，也就是说第一传动级23将第一多匝编码盘20的转速降低到需要测量的轴W（或多匝编码盘10）的转速的1/16，第二多匝编码盘30的转速通过第二变速级33减少到第一传动级23（或第一多匝编码盘20）的转速的1/16，以及第三多匝编码盘40的转速最后由第三和最后的传动级43降低到前述的第二变速级33（或第二多匝编码盘30）的转速的1/16。每个多匝编码盘20，30，40的分辨率为8位元，其中四个高位的位元（4…7）用于对旋转进行计数，和四个低位的位元（0…3）与具有下一个更高的转速的前述的变速级的四个高位的位元（4…7）重合，用于所谓的编码连接，以便实现单匝级和多匝级相对于总体位置值的单独的绝对的位置值的正确的连接。因此得出了为4096转的最大的计数区域。作为需要测量的轴W的最大转速设计为18000转/分钟。

相应于多匝编码盘20，30，40的转速，在多匝扫描单元22，32，42中产生的数据字24，34，44在轴W旋转时具有不同的变化速度。在第一多匝扫描单元20中产生的第一数据字24具有最高的变化速度，在第二多匝扫描单元30中产生的第二数据字34具有中等的变化速度，以及在第三多匝扫描单元40中产生的第三数据字44具有最低的变化速度。

对于连接安全性决定性的在于，即同时提供评估单元13的位置值。该需要可由并行接口无问题地满足，而应用串行接口来将数据字24，34，44从多匝扫描单元22，32，42传输至评估单元13是存在问题的。

对此有一个计数实例：

用于将数据字24，34，44从多匝扫描单元22，32，42传输至评估单元13的接口25，35，45应该具有为200kHz的传输频率。这相应于广泛使用的I2C-接口的典型的值，该接口作为双线接口特别适合于在短距离上在集成的电路之间的串行数据传输并且可简单地在这种电路中实施。

该接口25，35，45为了传输8位元的值而需要至少40us（除了传输的位元如开始-或停止位元在这里的考虑中不加以考虑）。相关于单匝编码盘10这意味着，其在最大的转速的情况下在数据传输期间超过4.32°的角度值。这表明，根据转速，在将第一数据字24从第一多匝扫描单元22传输至评估单元13期间单匝编码盘10的角度位置在轴的静止状态下的0°和在最大转速情况下的4.32°之间变化。这导致了连接安全性的大大降低。

如果考虑第二多匝级，则提出，即在将第二数据字34从第二多匝扫描单元32通过第二接口35传输至评估单元13期间在轴W的最大的转速的情况下第一多匝编码盘20的角度位置最大改变了仅仅0.27°。该值在涉及到连接安全性方面在许多情况下已经可以被忽略。

对于第三多匝级得出第二多匝编码盘30的角度位置的最大偏差仅仅为0.017°，其不再对连接安全性产生影响。

概括地说也就可以确定，即简单的、容易实施的串行接口的传输速度足以将绝对的位置值从第三多匝扫描单元42传输至评估单元13并且至少在此可以取消在需要的连接插针方面投入大的并行接口。

在这个实例中，串行接口也还适于将第二数据字34从第二多匝扫描单元32传输至评估单元13。对于从第一多匝扫描单元22传输数据至评估单元13来说，这种串行接口由于连接安全性的降低而不再适合，其中第一多匝扫描单元的对应的第一多匝编码盘20具有最高的转速。

然而如开头所述地，更快速的串行接口的实施方式出于需要的成本高的芯片面积的原因以及由于所需的高脉冲频率的连接技术的缺点方面的原因而是不符合目的的。然而确定了，即将并行接口用作为第一接口25，用于在第一多匝扫描单元22和评估单元13之间的数据传输在要求-通过减少需要的插针的数量来减少芯片面积以及使用容易实施的接口-导致了最佳的成本/效能-比例关系。在这个实际的实例中通过应用一个并行和两个串行接口获得了将对应于接口所需的插针从24个（在忽略控制导线的情况下三个并行接口各带有8位元）减少到12个（每个串行接口各分配两个插针）。

如果串行接口并不像图2中示出地作为点对点连接部实现，而是像图3示出地设计为总线连接部，那么所需要的插针的数量还可以进一步减少。这意味着，在评估单元13中仅仅设有一个共同的串行接口15，在该接口上通过第二接口35和通过第三接口45将第二多匝扫描单元32和第三多匝扫描单元42并行。由此进一步节省了评估单元13上的两个插针。随后然而进一步降低了传输速度，这是因为对于传输第二或第三多匝扫描单元32，42的绝对的位置数据来说首先必须传输评估单元13的寻址信息，以便定义，哪一个多匝扫描单元32，42恰好作出反应，或应该读出数据。此外连续地从多匝扫描单元32，42中读出了位置数据。

图4示出了根据本发明的多匝旋转编码器的第二个实施例的原理的构造。单匝级的构造相应于已经联系图1进行描述的单匝级。与第一个实施例相反，多匝单元118现在仅仅包括一个多匝扫描单元122，其测定计数器值形式的旋转数据、例如具有18位元的数据字宽度。在该实例中未设置变速装置。为了对于轴W的每次旋转产生一个计数脉冲，在其上例如布置了包括盘形的永磁体的编码元件121，该编码元件借助于电磁传感器（未示出）扫描。对此特别合适的是基于磁阻效应的传感器（所谓的MR传感器）。如果两个MR传感器在编码元件121的圆周上分布地以90°错开布置，则获得了一个有利的布置方式。多匝扫描单元122从传感器信号中根据旋转方向导出计数脉冲并且相应地增加或减少计数器值。

当然，计数脉冲的产生不限于磁性的扫描原理。因此例如也可以使用光学的或电感的扫描原理。

通过产生和根据旋转方向评估在轴W的每次旋转的计数脉冲，计数器值在任意时刻直接反映了轴W进行过的旋转的数量。为了使得在断开之后，或在多匝旋转编码器的电源失灵之后，计数器值不丢失，在多匝单元118中还布置了电池128，其提供了用于维持计数器值的需要的电能。

计数器值现在分配为两个数据字124，134，其中第一数据字124包括计数器值的较低位的位元，和第二数据字134包括计数器值的较高位的位元。在轴W旋转时，现在第一数据字124具有两个数据字124，134的最高的变化速度和第二数据字134具有最低的变化速度。从第一数据字124向评估单元13的传输通过第一接口125进行，第二数据字135的传输通过第二接口135进行。根据本发明如在图5中示出地，第一接口125是指并行接口，和第二接口135是指串行接口。

在减少对于向评估单元13传输数据所必需的连接插针方面追求的是，将尽可能多的、有利的为至少一半计数器值位元通过串行接口进行传输。具有18位元数据字宽度的计数器值的一个优选的分配是应用八个较低位的位元（0…7）作为第一数据字124和将十个较高位的位元（8…17）作为第二数据字134。根据轴W的最大的转速和所应用的第二接口135、也就是说串行接口的数据传输速度，可以在一定条件下进一步降低第一数据字124的数据字宽度，这又进一步减少了从评估单元13通向多匝单元118的需要的导线的数量。作为特别情况，仅仅将最低位的计数器值位元（LSB）用作为第一数据字124。在这种情况下，第一接口125减少到仅仅一个导线。

本发明适于包括多匝单元18，118的多匝旋转编码器，在多匝单元中产生旋转数据，借助于该旋转数据可以测定轴W进行过的旋转的数量并且为了这个目的通过数字接口25，35，45，125，135将该旋转数据传输至评估单元13。

Claims

1.一种多匝旋转编码器，具有：

-单匝编码盘（10），所述单匝编码盘抗扭地与轴（W）相连接并且具有代码道（11），所述代码道可由单匝扫描单元（12）扫描以用于测定在所述轴（W）的一个旋转中的绝对位置；

-多匝单元（18，118），用于测量旋转数据，所述旋转数据适于测定所述轴（W）进行过的旋转的数量；

-评估单元（13），所述评估单元通过用于传输所述旋转数据的至少两个数字接口（25，35，45，125，135）与所述多匝单元（18，118）相连接，

其特征在于，所述旋转数据包括至少两个数据字（24，34，44，124，134），所述数据字在所述轴（W）旋转时具有不同的变化速度；和用于传输具有相对于所述评估单元（13）的最高变化速度的数据字的所述接口（25，35，45，125，135）是并行接口；以及用于传输具有相对于所述评估单元（13）的最低变化速度的数据字的所述接口（25，35，45，125，135）是串行接口。

2.根据权利要求1所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述串行接口设计为点对点连接部。

3.根据权利要求1所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述串行接口设计为总线连接部。

4.根据权利要求1所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述串行接口是双线接口。

5.根据权利要求2所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述串行接口是双线接口。

6.根据权利要求3所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述串行接口是双线接口。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述评估单元（13）是ASIC。

8.根据权利要求7所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述单匝扫描单元（12）集成在所述评估单元（13）中。

9.根据权利要求8所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述轴（W）的所述绝对位置的产生基于光学的扫描原理并且所述评估单元（13）是Opto-ASIC。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：至少两个带有编码元件（21，31，41）的多匝编码盘（20，30，40）；一个变速装置，布置在所述多匝编码盘（20，30，40）与所述轴（W）之间；以及用于通过所述编码元件（21，31，41）的扫描来测量所述多匝编码盘（20，30，40）的绝对位置的多匝扫描单元（22，32，42），其中在所述多匝扫描单元（22，32，42）中能够产生具有所述多匝编码盘（20，30，40）的所述绝对位置的所述数据字（24，34，44）形式的旋转数据。

11.根据权利要求8所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：至少两个带有编码元件（21，31，41）的多匝编码盘（20，30，40）；一个变速装置，布置在所述多匝编码盘（20，30，40）与所述轴（W）之间；以及用于通过所述编码元件（21，31，41）的扫描来测量所述多匝编码盘（20，30，40）的绝对位置的多匝扫描单元（22，32，42），其中在所述多匝扫描单元（22，32，42）中能够产生具有所述多匝编码盘（20，30，40）的所述绝对位置的所述数据字（24，34，44）形式的旋转数据。

12.根据权利要求9所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：至少两个带有编码元件（21，31，41）的多匝编码盘（20，30，40）；一个变速装置，布置在所述多匝编码盘（20，30，40）与所述轴（W）之间；以及用于通过所述编码元件（21，31，41）的扫描来测量所述多匝编码盘（20，30，40）的绝对位置的多匝扫描单元（22，32，42），其中在所述多匝扫描单元（22，32，42）中能够产生具有所述多匝编码盘（20，30，40）的所述绝对位置的所述数据字（24，34，44）形式的旋转数据。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）产生计数器值形式的旋转数据，所述计数器值的较低位的位元对应于第一数据字（124）以及所述计数器值的较高位的位元对应于第二数据字（134），其中所述第一数据字（124）是具有最高变化速度的数据字以及所述第二数据字（134）是具有最低变化速度的数据字。

14.根据权利要求8所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）产生计数器值形式的旋转数据，所述计数器值的较低位的位元对应于第一数据字（124）以及所述计数器值的较高位的位元对应于第二数据字（134），其中所述第一数据字（124）是具有最高变化速度的数据字以及所述第二数据字（134）是具有最低变化速度的数据字。

15.根据权利要求9所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）产生计数器值形式的旋转数据，所述计数器值的较低位的位元对应于第一数据字（124）以及所述计数器值的较高位的位元对应于第二数据字（134），其中所述第一数据字（124）是具有最高变化速度的数据字以及所述第二数据字（134）是具有最低变化速度的数据字。

16.根据权利要求13所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：布置在所述轴（W）上的编码元件（121）；以及用于产生所述计数器值的多匝扫描单元（122），并且所述多匝扫描单元（122）通过所述编码元件（121）的扫描产生取决于旋转方向的计数脉冲，以用于增加或减少所述计数器值。

17.根据权利要求14所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：布置在所述轴（W）上的编码元件（121）；以及用于产生所述计数器值的多匝扫描单元（122），并且所述多匝扫描单元（122）通过所述编码元件（121）的扫描产生取决于旋转方向的计数脉冲，以用于增加或减少所述计数器值。

18.根据权利要求15所述的多匝旋转编码器，其特征在于，所述多匝单元（18，118）包括：布置在所述轴（W）上的编码元件（121）；以及用于产生所述计数器值的多匝扫描单元（122），并且所述多匝扫描单元（122）通过所述编码元件（121）的扫描产生取决于旋转方向的计数脉冲，以用于增加或减少所述计数器值。