CN103459984A

CN103459984A - 用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备

Info

Publication number: CN103459984A
Application number: CN2012800117688A
Authority: CN
Inventors: 维尔弗里德·普拉策; 本杰明·霍夫曼
Original assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Current assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN103459984B; EP2681515A1; DE102011106339A1; JP5668153B2; ES2550779T3; RU2013144588A; WO2012119732A1; DE102011106339B4; US20140005976A1; US9482556B2; PL2681515T3; EP2681515B1; JP2014507002A; RU2548588C1

Abstract

本发明涉及用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备(9)，其中第一齿轮(Z1)分配给被测对象的轴(8)，其中所述第一齿轮(Z1)直接或间接啮合至少第二齿轮(Z2)和第三齿轮(Z3)，并且各齿轮(Z1、Z2、Z3)的齿数(z1、z2、z3)彼此不同，其中旋转角度传感器(D1、D2、D3)分配给每个齿轮(Z1、Z2、Z3)，用于检测所分配的齿轮(Z1、Z2、Z3)的旋转角度(z1、z2、z3)，其中设置计算单元，所述计算单元至少确定第二齿轮(Z2)与第一齿轮(Z1)的旋转角度差(z1–z2)以及第三齿轮(Z3)与第一齿轮(Z1)的旋转角度差(z1–z2)，并基于所确定的各齿轮(Z1、Z2、Z3)的旋转角度(z1、z2、z3)的差(z1–z2、z1–z3)的总和(SumDiff=(z1–z2)+(z1–z3))，确定所述被测对象的轴的整转数目和剩余旋转角度(z1)。

Description

用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备

技术领域

本发明涉及用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备。

背景技术

根据DE19821467A1已知一、二或多维差分传动装置，所述一、二或多维差分传动装置用于轴的整转（while numbered revolution）数目的高分辨率测量。在一维差分传动装置的最简单情形，仅使用两个齿轮。它们就齿数而言相差一个齿。其中的一个齿轮直接安装在待测量的轴上并驱动第二个齿轮。基于两个齿轮相对于彼此的角位置，能够确定轴的转数。

此外，DE19821467A1中还公开了具有三个齿轮的二维差分传动装置，其中第一个齿轮也与待测量的轴相关联，同时其他两个齿轮由第一个齿轮直接和/或间接驱动。经由这种基本组合来确定整转的数目，这种基本组合产生不同的齿轮转数，并且在齿轮的限定齿数的情况中是可能的。为实现关于整转的数目的唯一性，为不同数目的旋转计算基本组合的标准基值，并且将基本组合的标准基值存储在二维阵列中。在这种情况中，所述标准基值作为存储器坐标，能够基于该存储器坐标确定整转的数目。这种已知的解决方案的缺陷是分辨率处于一个整转的附近。利用该已知的解决方案，目前不可能确定被测对象的轴的确切角位置。

与致动器相关，已知高分辨率多转直齿轮传动装置用于测量绝对旋转角度。在已知的直齿轮传动装置的情况中，应用互相联接的若干传动级（stage）。在多转直齿轮传动装置的优选解决方案的情况中，应用23个齿轮和5个位置传感器。各传动级必须以高精度制造，以使一个接一个布置的传动级中的游隙最小化。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单且成本划算的用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备。

所述目的通过包括与被测对象的轴相关联的第一齿轮的特征实现，其中所述第一齿轮直接或间接啮合至少第二齿轮和第三齿轮，并且其中各齿轮的齿数彼此不同。此外，每个齿轮具有与之关联的旋转角度传感器，所述旋转角度传感器检测相关联的齿轮的旋转角度，其中设置计算单元，所述计算单元至少确定第一齿轮的旋转角度与第二齿轮的旋转角度之间的差以及第一齿轮的旋转角度与第三齿轮的旋转角度之间的差，并基于所确定的所述齿轮的旋转角度的差的总和，确定被测对象的轴的整转的数目和剩余旋转角度。此外，对所确定的旋转角度的差的总和的斜率进行标准化是有益的。

本发明的测量设备允许与评估轴的整转数目相结合，对被测对象的轴的确切的当前角位置进行测量。

本发明的差分运动传感器（difference movement sensor）优选包括互相联接的三个齿轮，其中所述齿轮具有不同的齿数。所述齿轮能够被实施为直齿轮和/或内部有齿的齿轮和/或齿带和/或链齿轮和/或摩擦齿轮。在摩擦齿轮的情况中，齿数的差不局限于正整数。在此，一般说来，齿数的差能够对应于大于或等于1的任意正实数。

本发明的差分运动传感器能够大大消除在传动级中的游隙的问题。由于相对于已知解决方案，本发明的测量设备的情况中的传动级的数量大大减少，所以本发明的测量设备能够以成本划算且紧凑的方式实现。此外，其能够在没有问题的情况下与旋转被测对象的轴连接。关于本发明的测量设备，特别有益的是对于例如在制造过程中的测量设备的调节和功能检查，所有三个齿轮的简单的旋转就足够了。因此，能够在不需要花费大力气的情况下快速进行测量设备的功能测试。

本发明的测量设备的有益实施例提供了将光、磁和/或机电旋转角度传感器应用于检测各齿轮的旋转角度。而且，优选地使用霍尔传感器。

如上面已描述的那样，旋转角度传感器在每种情况中以度为单位检测所有齿轮的旋转角度。第二齿轮的旋转角度与第一齿轮的旋转角度之间的差和第三齿轮的旋转角度与第一齿轮的旋转角度之间的差用于确定被测对象的轴的整转数目，第一齿轮固定在所述被测对象的轴上。此外，所述齿轮的齿数优选相差一个齿，实际上使得在各种情况中在第一齿轮与第二齿轮的齿数之间的差以及在第一齿轮与第三齿轮的齿数之间的差等于1。例如，如果第一齿轮与被测对象的轴相关联且具有25的齿数，则第二齿轮的齿数等于26且第三齿轮的齿数等于24。

由于第一齿轮相对于第二齿轮的齿数差以及第一齿轮相对于第三齿轮的齿数差，上述的差等于dZ并且其中dZ大于或等于1，测量设备的总角分辨率被划分成n个主段（main section）。在这种情况中，n大于或等于1。计算单元基于齿轮的相对位置来确定与主段相关联的相应的绝对角度。

此外，根据本发明的测量设备，在确定绝对旋转角度的情况下，计算单元通过以下方式使用亚分辨率（subresolution）SR确定多转分辨率TurnRes，其中，SR是主段的角分辨率：

SR = \frac{1}{[(\frac{z_{1}^{2}}{z_{2} \cdot z_{3}}) - 1] \cdot 2},

TurnRes＝n·SR。

在这种情况中，TurnRes∈N，n∈N，SR∈Q且TurnRes≥SR，其中TurnRes是最小可能的n的情况下的多转分辨率。

根据本发明的测量设备的优选实施例，与被测对象的轴相关联的齿轮的角度传感器直接检测剩余旋转角度，即单转分辨率。作为选择，提供了计算单元在计算整转数目的情况中基于小数部分来确定剩余旋转角度，即，单转分辨率，其中，为对SumDiff的斜率进行标准化，优选使用以下公式：

其中zMS≤n，zMS是与对应的绝对角度相关联的主段MS。Turn的整数部分是被测对象的轴的整转数目，而小数部分描述剩余旋转角度。SumDiff是各齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度

的差的总和，并根据以下公式计算：

为补偿在旋转角度检测中发生的测量设备传动装置中的不准确和游隙（slack），本发明的测量设备的有益的实施例提供：计算单元通过由所确定的第二齿轮和第三齿轮的旋转角度形成的差将测量设备的角分辨率划分成分段（subsection）SS。在这种情况中，分段的数目取决于第一齿轮的齿数。特别是分段SS的斜率大于主段MS相应为主段zMS的斜率。

优选地，本发明的测量设备在控制元件相应为致动器的情况中应用于自动化或制造技术。当然，本发明的测量设备不局限于这些应用。例如，本发明的测量设备还能够用于印刷机和汽车。

在本发明的测量设备用于控制元件相应为致动器的情况中，被测对象优选为用于致动流量控制机构的致动器驱动器的驱动轴和/或输出轴。而且，所述驱动轴与致动元件连接。所述致动元件是电动机和/或调节轮，所述调节轮相应地为手轮。所述流量控制机构与输出轴联接。出于将电动机的高RPM降低到流量控制机构的相对低的RPM的目的，在多种应用的情况中，减速传动装置通常布置在致动元件与流量控制机构之间。

附图说明

将基于附图对本发明进行更详细地解释，其中：

图1为相应地为致动器的控制元件的示意图；

图2为本发明的测量设备的实施例的示意图；

图3为第一曲线图，示出存在一个主段时的多转分辨率；以及

图4为第二曲线图，示出两个主段的情况中的多转分辨率。

具体实施方式

图1是用于致动流量控制机构2的控制元件1——相应为致动器1的示意图。流量控制机构2例如是阀、闸门、节流阀或挡板。

控制元件1，相应为致动器1，通常由具有对应的传感器装置10的电动机3、具有对应的传感器装置11的致动器驱动器4、减速传动装置5和流量控制机构2组成。借助于上级控制单元12进行致动器1的控制。控制单元12能够集成到致动器驱动器4中，其能够嵌入至致动器驱动器4，或者其能够被实施为分离的组件。通常，在通过应用化学、物理或生物过程由原材料或起始材料制造产品的加工工业中，具体在加工中用于流量控制机构2的致动器驱动器4以这样的方式设计，即致动器驱动器4能够在低RPM(4至180转/分钟)的情况中传递高扭矩(30至630,000Nm)，其中即使在小旋转角度的情况中，所传递的扭矩也必须高度恒定。

在电动机3和流量控制机构2之间的扭矩传递经由减速传动装置5进行。为把电动机3的高RPM转换成所期望的、高度恒定的用于致动流量控制机构2的输出RPM，减速传动装置5是必需的。不同的传动装置能够应用于减速传动装置5。示例能够包括伞齿轮或直齿轮传动装置、蜗轮齿轮传动装置、叠加传动装置或杠杆传动装置。在旋转驱动器的情况中扭矩范围达到32,000Nm的扭矩水平；在以小于360度的范围旋转驱动器的情况中，能够实现达630,000Nm的扭矩。

为满足过程自动化安全标准，致动器必须在紧急情况中经由分离可致动的调节轮6可操作。而且，还在故障后的致动器驱动器4启动、相应为重新启动的情况中使用调节轮6。调节轮6通常是手轮，所述手轮可由操作人员手动操作，由此能够将流量控制机构2引入所期望的位置。

出于使手动操作和电机操作分离的目的，设置联接机构(图1中未单独示出)。联接机构通常被实施和/或布置成使得在电机操作中，电动机3与输出轴7直接联接而调节轮6不联接；而在手动操作时，输出轴7与调节轮6联接而电动机3不联接。这样，提供在电机操作和手动操作之间的分离。特别是，实施联接机构使得，一旦致动器驱动器4在电机操作中工作，调节轮6从驱动轴8自动脱离联接。电机的操作因而优先于手动操作。相应的致动器驱动器4可从本发明受让人那里获得。

经由本发明的测量设备进行驱动轴8或输出轴7的旋转角度

的检测，现在将基于随后的附图更详细地描述本发明的测量设备。图1中的标号I和II标记不同的位置，其中本发明的测量设备能够安装在控制元件1中。尽管测量设备根据位置I的定位就使用枢轴驱动器而言是优选的，但测量设备根据第二位置的定位就使用旋转驱动器而言是优选的。

图2示出本发明的测量设备的实施例的示意图，本发明的测量设备由彼此联接的三个齿轮Z1、Z2、Z3组成，其中齿轮Z1具有齿数z1，齿轮Z2具有齿数z2，齿轮Z3具有齿数z3。齿轮Z1、Z2、Z3的齿数z1、z2、z3彼此不同。特别是，在每种情况中，在齿轮Z1和齿轮Z2之间的齿数差等于一个齿，相应在齿轮Z1和齿轮Z3之间的齿数差等于一个齿。在所示的情况中，齿轮Z1与旋转被测对象的轴8、9相关联。齿轮Z2、Z3与齿轮Z1直接啮合。

旋转角度传感器D1、D2、D3与每个齿轮Z1、Z2、Z3相关联，所述旋转角度传感器D1、D2、D3检测相关联的齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度各个齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度

经由光、磁和/或机电旋转角度传感器D1、D2、D3检测。

此外，设置计算单元13，计算单元13至少确定第二齿轮Z2的旋转角度与第一齿轮Z1的旋转角度之间的差

以及第三齿轮Z3的旋转角度与第一齿轮Z1的旋转角度之间的差

并且基于所确定的齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度

的差的总和公式

确定被测对象的轴的整转是数目和剩余旋转角度

在确定旋转被测对象的轴的绝对旋转角度

的情形中，计算单元13使用优选经由以下公式确定的亚分辨率SR来确定多转分辨率：

SR = \frac{1}{[(\frac{z_{1}^{2}}{z_{2} \cdot z_{3}}) - 1] \cdot 2},

TurnRes＝n·SR。

与被测对象的轴8相关联的齿轮Z1的角度传感器D1优选直接检测剩余旋转角度

作为选择，计算单元13在计算整转的数目时基于小数部分确定剩余旋转角度

其中优选使用以下公式：

图3示出曲线图，图中示出具有一个主段MS的多转分辨率TurnRes，因而其中n=1。整转的数目绘制在x轴上；以度为单位的各齿轮的旋转角度的差绘制在y轴上。在示出的情况中，每个主段执行312个整转。整转能够基于齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度

的差的总和SumDiff唯一地确定。

图3以及图4还进一步示出所确定的第一齿轮Z1、第二齿轮Z2和第三齿轮Z3的旋转角度

的角度差

相应的曲线(直线)具有不同的斜率，由此测量设备9的多转分辨率TurnRes被划分成分段SS。通过示例的方式在图3中标出曲线的第一分段。曲线

的分段SS数目取决于第一齿轮Z1的齿数z1。由于第一齿轮Z1的齿数z1等于25，因此，存在曲线

的25个分段SS。选择齿轮Z1、Z2、Z3的齿数z1、z2、z3，以使得分段SS_i（i=1、…n）的斜率大于主段MS相应为主段MS的斜率。基于这些曲线，它们示出了第一齿轮Z1、第二齿轮Z2和第三齿轮Z3的旋转角度的差

相应为

相应为

能够使分辨率更精确并确定被测对象的轴8的剩余旋转角度

图4示出曲线图，图中示出具有两个主段MS的多转分辨率TurnRes。在这种情况中，由于第一齿轮Z1相对于第二齿轮的齿数的差以及第一齿轮Z1相对于第三齿轮Z3的齿数的差，上述的差等于dZ，dZ大于或等于1，计算单元13把测量设备9的总角分辨率分成n个主段MS。此外，计算单元13基于齿轮Z1、Z2、Z3的相应位置

来确定相关联的主段zMS。

附图标记表

1 控制元件/致动器

2 阀

3 电动机

4 致动器驱动器

5 减速传动装置

6 调节轮/手轮

7 输出轴

8 驱动轴

9 用于确定绝对旋转角度的测量设备

10 传感器装置电动机

11 传感器装置致动器

12 上级控制单元

13 计算单元

dZ 第一齿轮相对于第二齿轮的齿数差和第一齿轮相对于第三齿轮的齿数差

齿轮Z1的旋转角度

齿轮Z2的旋转角度

齿轮Z3的旋转角度

z1 齿轮Z1的齿数

z2 齿轮Z2的齿数

z3 齿轮Z3的齿数

Z1 第一齿轮

Z2 第二齿轮

Z3 第三齿轮

D1 第一齿轮的角度传感器

D2 第二齿轮的角度传感器

D3 第三齿轮的角度传感器

MS 主段

n 主段的数目

zMS 与绝对角度相关联的主段

SS 分段

nSS 分段的数目

SumDiff 齿轮的旋转角度的差的总和

SR 主段MS的角分辨率

TurnRes 多转分辨率

Turn Turn的整数部分对应于被测对象的轴的整转的数目，而小数部分描述剩余旋转角度

Claims

1.一种用于检测旋转被测对象的绝对旋转角度的测量设备(9)，其中第一齿轮(Z1)与所述被测对象的轴(8)相关联，其中所述第一齿轮(Z1)直接或间接啮合至少第二齿轮(Z2)和第三齿轮(Z3)，并且其中各齿轮(Z1、Z2、Z3)的齿数(z1、z2、z3)彼此不同，其中每个齿轮(Z1、Z2、Z3)具有与之相关联的旋转角度传感器(D1、D2、D3)，所述旋转角度传感器(D1、D2、D3)检测相关联的齿轮(Z1、Z2、Z3)的旋转角度

其中设置计算单元，所述计算单元至少确定所述第二齿轮(Z2)的旋转角度与所述第一齿轮(Z1)的旋转角度之间的差

以及所述第三齿轮(Z3)的旋转角度与所述第一齿轮(Z1)的旋转角度之间的差

并基于所确定的所述齿轮(Z1、Z2、Z3)的旋转角度

的所述差

的总和

确定所述被测对象的轴(8)的整转的数目和剩余旋转角度

2.根据权利要求1所述的测量设备，其中光、磁和/或机电旋转角度传感器(D1、D2、D3)被应用于检测各齿轮(Z1、Z2、Z3)的旋转角度

3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中所述齿轮(Z1、Z2、Z3)的齿数(z1、z2、z3)优选地相差一个齿(dZ=1)，从而在每种情况中使齿数(z1–z2或z1–z3)的差(dZ)等于1。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的测量设备，其中，为了确定所述绝对旋转角度，所述计算单元(13)通过以下方式使用亚分辨率(SR)确定多转分辨率(TurnRes)：

SR = \frac{1}{[(\frac{z_{1}^{2}}{z_{2} \cdot z_{3}}) - 1] \cdot 2},

TurnRes＝n·SR，

对于TurnRes，n∈N，SR∈Q且TurnRes≥SR，其中TurnRes是最小可能的n的情况中的多转分辨率。

5.根据权利要求1、2或3所述的测量设备，其中与所述被测对象的轴(8)相关联的齿轮(Z1、Z2、Z3)的角度传感器(D1)直接检测所述剩余旋转角度

或者所述计算单元(13)在计算整转(多转)的情况中基于小数部分确定所述剩余旋转角度

其中优选使用以下公式：

其中zMS≤n，并且SumDiff是各齿轮Z1、Z2、Z3的旋转角度

的差的总和，即

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的测量设备，其中所述计算单元(13)利用所确定的所述第二齿轮(Z2)和第三齿轮(Z3)的旋转角度

形成的差把所述测量设备(9)的角分辨率(TurnRes)划分成分段(SS)，其中所述分段(SS)的数目取决于所述第一齿轮(Z1)的齿数(z1)，各分段(SS_i,i=1、…、n)的斜率大于所述主段(MS)的斜率。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的测量设备，其中所述计算单元(13)利用所确定的所述第一齿轮(Z1)的旋转角度分别与所述第二齿轮(Z2)的旋转角度、所述第三齿轮(Z3)的旋转角度形成的差

把所述测量设备(1)的角分辨率(TurnRes)划分成分段(SS)，其中所述分段(SS)的斜率大于所述主段(MS)的斜率。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的测量设备，其中，由于所述第一齿轮(Z1)相对于所述第二齿轮(Z2)的齿数以及所述第一齿轮(Z1)相对于所述第三齿轮(Z3)的齿数的差(dZ)，所述差等于dZ，dZ大于或等于1，所述计算单元(13)把所述测量设备(9)的总角分辨率划分成n个主段(MS)，并且其中所述计算单元(13)基于所述齿轮(Z1、Z2、Z3)的各自位置来确定相关联的主段(MSn)。

9.根据权利要求1-4中的一项或多项所述的测量设备，其中所述被测对象是用于致动流量控制机构(2)的致动器驱动器(4)的驱动轴(8)和/或输出轴(7)，其中所述驱动轴(8)与致动元件(3；6)连接，其中所述流量控制机构(2)与所述输出轴(7)连接，并且其中减速传动装置(5)设置在所述致动元件(3；6)与所述流量控制机构(2)之间。

10.根据权利要求9所述的测量设备，

其中所述致动元件是电动机(3)或调节轮(6)。

11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的测量设备，其中所述齿轮(Z1、Z2、Z3)被实施为直齿轮和/或内部有齿的齿轮和/或齿带和/或链齿轮和/或摩擦齿轮。