CN103782178A - 用于测量运动件的角速度或速度及用于识别该运动件的运动方向的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由单个编码器和单个静止的传感器元件组成的运动检测装置，设置在运动件上的所述编码器产生不对称的图案。通过测量边缘坡度或上升时间或下降时间、就基波的相位而言对谐波的频率和相位关系进行频谱分析、或者对一系列矩形脉冲的不对称性进行分析处理，由传感器信号确定运动件的角速度或速度以及运动方向。

Description

用于测量运动件的角速度或速度及用于识别该运动件的运动方向的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量运动件的角速度或速度以及用于识别该运动件的运动方向的装置，该装置具有静止地设置或可静止地设置的传感器和设置在或可设置在所述运动件上的编码器，所述编码器与所述传感器一起产生遵循编码器形式的信号，其中，所述编码器对于角速度/速度测量所需的频率测量具有描述周期性图案的结构。
背景技术
在技术上在多种机器和设备上所需的转速测量在物理上与角速度测量同样重要。一般已知，通过在轴上在周缘上安置被称为“编码器”的周期性图案、例如齿轮来测量轴的转速，所述周期性图案由位置固定地安置在轴旁边的传感器来探测。传感器具有在齿与齿槽或其它周期性的交替的特性、例如磁场方向或透光性之间进行区别的能力。传感器据此产生输出信号，所述输出信号具有与所探测的图案相同的周期性。这种传感器视现有的信号处理装置而定输出不同的信号。存在近似正弦形的信号或者矩形信号，所述近似正弦形的信号大多直接由传感器的初级传感器元件产生，所述矩形信号大多由连接在后面的信号处理装置通过比较器产生。
如果附加地需要对由传感器观测的运动进行方向识别，则已经公知，使用由另外的编码器和传感器元件构成的单独的附加系统，所述附加系统在结构相同的情况下移动了图案的周期长度的四分之一。方向识别基于两个系统之间的信号的相位移动，所述相位移动总是在取值上取周期长度的四分之一，但视方向而定在超前与滞后之间交替。
作为替换方案可在两个信号之间产生对方向敏感的相位移动，其方式是两个传感器元件与同一个编码器共同作用，但在运动方向上具有导致合适的相位移动的距离。该构造由于节省第二编码器而有利。尤其是在两个传感器元件的距离小的情况下附加地有利的是，这些元件可集成——例如集成在公用的壳体中，并且在半导体元件的情况下必要时也整体地集成。
所述技术以相同方式用于直线运动的速度测量，其中，使用直线的而不是环形的编码器。在此使用的名称“传感器”包括原来的传感器元件和相关的信号处理/分析处理单元，所述传感器元件与编码器一起产生信号。
开头所述类型的装置已经公知，所述装置具有带有两个传感器元件的传感器。这种装置由此具有附加系统，所述附加系统由第二传感器元件和相关的信号路径（放大器、滤波器等）构成。所述附加系统引起相应成本。固定到传感器元件的确定距离上也不利，因为使用具有不同周期长度的编码器受到限制。虽然不需要相位移动取图案的周期长度的四分之一，但所述相位移动在区别运动方向方面引起最大的信号提升。在值较小时，对测量相位移动的要求提高。但对于任意编码器或者说任意应用提供传感器元件的匹配的距离对于这些系统任意之一由于件数少而成为成本动因。尤其是半导体元件、例如霍尔发电机的整体集成从成本优点到缺点在件数少的情况下通过相关系统的与应用相关的设计造成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的构造得简单且成本低廉的装置。
根据本发明，所述目的在所述类型的装置中这样来实现：传感器具有唯一一个用于测量频率和识别运动方向的传感器元件，编码器的周期性图案构造成不对称的。
由此，根据本发明，使用具有唯一一个传感器元件的传感器，所述传感器元件不仅用于角速度/速度测量（频率测量）而且用于运动方向识别。编码器的周期性图案构造成不对称的，由此，传感器元件、即物理转换器的信号也不对称。信号周期于是一阶近似地由两个边缘构成，所述边缘具有不同符号的坡度和不同的持续时间或者说斜率。视运动方向而定，两个由于坡度的取值而可不同的信号边缘的坡度的符号变化。所述信号的分析处理在信噪比高的情况下可通过测量坡度或边缘持续时间来进行。但对于高抗干扰性优选频谱分析处理。
频谱方向识别基于观测：在函数的时间变化曲线换向（与运动方向的换向同样重要）时在振幅谱上不出现变化，但相位谱变化，就此而言，换向的函数的图像不同于原来的函数的图像。在每个周期仅两个边缘的情况下，所述条件与不同的边缘坡度或者说持续时间以及与不对称性同样重要。在合适地选择函数时——编码器用所述函数调制传感器元件的输出信号，唯一一个谐波的相位的分析处理就基波的相位而言足以区别运动方向。
因此，优选传感器具有用于执行频谱信号分析处理的分析处理单元，其中，分析处理单元尤其是被构造用于分析处理尽可能低阶的信号频率的谐波的相位。
如所提及的那样，优选这样构造传感器和编码器，使得产生具有陡峭和平缓的边缘区段的信号变化曲线。在此特别优选这样的实施形式，在所述实施形式中，产生近似锯齿形的信号变化曲线。
对根据本发明构造的装置的传感器的电路部分、尤其是对可用于测量确定频谱分量的相位的电路部分由此不予以特别探讨。所述电路部分可以是公知的结构形式。在本发明的特殊实施形式中出发点在于，传感器借助于公知的电路方案（模拟、数字或混合式）实施下列用于方向识别的步骤并且具有相应的电路部分：
1.从输入信号的混合频率测量或者说隔离基波的频率。
2.将基波增倍、尤其是增两倍到为方向识别选择的谐波的频率，由此获得基波与所产生的波之间的固定的但可任意选择的相位关系。
3.确定在步骤（2）中产生的波与所选择的谐波之间的相位移动。
4.对于运动方向根据相位移动进行判断。
5.以任意编码通过传感器系统到所测量的信息的接收器的任意接口输出运动方向。
通过这种处理方式，方向识别的函数编码到编码器形式中。使用具有所连接的信号路径的第二传感器元件变得多余。另外，所测量的相位移动与编码器图案的周期长度无关并且信号提升由此对于完全不同的周期长度而言最佳。
优选地，各编码器的调制效果的变化曲线的构型与所选择的传感器元件的特性曲线相联系来优化。编码器的不对称性根据本发明尤其是这样构造，使得在传感器元件的输出端上实现信号的尽可能明显的不对称性。精确的信号变化曲线在此受传感器元件的所使用的技术影响。在光学传感器的情况下可以是几乎理想地锯齿形的变化曲线。在磁传感器的情况下，根据工作距离限制较陡峭的边缘的坡度。尤其是根据本发明力争尽可能大地接近锯齿形的变化曲线，因为于是一阶谐波的优选应予以分析处理的重要振幅（在双倍频率的情况下）特别高。
在根据本发明构造的装置的扩展构型中，周期性图案涉及编码器图案的前后相继的周期的序列，其中，所述序列的对应的图案构造成不对称的。该实施形式具有确定的优点。先前描述的处理方式要求一定的电路技术方面的投入，当选择不同坡度的较简单、但功率很低的分析处理方案时，所述投入可避免。为此，编码器图案的前后相继的周期的序列被相应改变，由此，振幅、长度或相位位置不同。图案在此现在不再以原来的周期、而是以整个序列的长度为周期。当序列的图案在此具有不对称性时，可以以所述序列与以本身不对称的编码器形式类似地处理，只是不需要频谱分析处理。缺点在于低的位置分辨率，因为取代编码器形式的周期现在必须遍历整个序列，以便获得足够的数据用于对于方向进行判断。
优选序列由相同的对称的图案构成，所述图案彼此间的区别仅在于一个特性，其中，尤其是序列的图案的特性具有三个不同的值（特性=振幅、频率或相位位置）。
因为使用三个以上周期不提供一般优点，另一方面需要未改变的图案的三个周期的至少一个序列，以便方向识别所需的不对称性通过改变来产生并且也与相邻的序列隔开，所以优选使用刚好三个周期。
另外，本发明涉及这样的装置，所述装置的特征在于，编码器和传感器附加地被构造用于角度或行程测量。
根据本发明的装置也可不受限制地用于测量直线运动。为此仅需直线编码器取代环形编码器。除了在任意旋转轴或直线运动的机器部件或车辆部件上的一般应用之外，所述装置特别适用于下列应用情况：
1.在车辆的轮上测量（轮转速传感器）。
2.在内燃发动机的曲轴上测量。在此，转动方向识别尤其是用于在机器关机时确定静止角度。虽然大多数内燃发动机仅识别工作的转动方向，但在静止前不久在故障时可暂时在相反方向上运动。静止角度的测量允许在重启动时较快速启动，因此主要对于启动-停止系统而言重要。
3.在机动车的传动系部件上、例如在变速器中测量。
附图说明
下面借助于实施例联系附图详细描述本发明。附图中：
图1示出曲线图，在该曲线图中示出了两个信号S1和S2的变化曲线；
图2a示出信号S1和S2的振幅谱；
图2b示出信号S1和S2的相位谱；
图3示出编码器图案的实施形式；
图4示出编码器图案的另一个实施形式；以及
图5示出编码器图案的第三实施形式。
具体实施方式
全部实施例示意性地示出了本发明的可能实施形式。“示意性”在此是指，不考虑具体实施形式的下述特性，因为本发明中的相应细节相对于现有技术不发生变化。作为特征，所述相应细节可与根据本发明的解决方案相组合：
1.测量坐标系：全部编码器形式出于附图简化原因都直线表示，但编码器沿着测量坐标系的结构也适用于环形编码器。视图于是相应于所谓的展开。运动方向通过箭头表示。
2.对于由编码器图案的周期构成的序列用于方向识别的方案：编码器的测量技术上的优化也包括图案的各个部分之间、例如齿与齿槽之间的过渡的造型。所选择的示意性视图不是关注图案的精确几何特征，而是仅包括齿和齿槽本身的视图。
3.不考察编码器的不同属性、即在图案内部变化的物理尺寸。全部变化的尺寸，不管是在几何方面、磁方面、光学方面还是其它方面，都示例性地通过齿和齿槽或者说上升和下降的边缘来象征。
图1示出了两个信号S1和S2，所述信号由在两个相反方向上对一编码器的测量得到。因此，所述信号的区别仅在于各个组成部分的顺序或者说彼此镜像。每个信号S1和S2对于每个周期具有陡峭和平缓的边缘。周期和振幅归一化到任意单位（“a.u.”，“arbitrary unit”）。
图2a中示出了信号S1、S2的振幅谱，图2b中示出了相位谱。用于表示两个信号的线这样选择，使得也可精确识别彼此叠置的谱分量。S1用细实线表示，S2用粗虚线表示。两者叠置得到单义的图案，如在振幅谱中可看到的那样，所述图案对于两个信号完全相同。而在相位谱中明显存在区别。基波的相位彼此一致，这通过信号S2的相应移动实现（参见图1），而主要的感兴趣的一次谐波在双倍频率下具有移动了Pi（180°）的相位，这是最大可能的值。为了更好地理解，需要注意以下事项：信号S2的移动仅为了在基波的相位中获得彼此一致才进行，通过其可更好地看到真正的感兴趣的相位移动。因为总是仅或者S1或者S2由传感器系统测量，所以在S1与S2之间得不到测量技术上重要的相位关系。而对于方向识别决定性的分别是两个信号之一的基波与一次谐波之间的相位移动。其当基波在相位中时可更好地识别。原则上，也可将更高阶的谐波用于方向识别，如在相位谱上可读出的那样。但这不是吸引人的，因为所述谐波的振幅明显小，由此，在除噪环境中稳定的相位测量不必要地变难。
图3示出了无频谱分析处理的根据本发明的解决方案的变型的编码器图案。每三个齿形成一个序列，在所述序列中可确定方向，因为信号振幅不同。
图4示出了具有与图3相同的函数（Funktion）的编码器图案，在所述编码器图案中，组成部分的频率或者说长度变化了。
最后，在图5中，编码器图案的组成部分的相位位置变化了。与图3和图4不同，不涉及在图案的特性取三个不同的值时的序列，而是三个齿中的中等齿的移动已经足以允许方向识别（考察具有三个不同长度的齿槽）。图4和图5可通过齿和齿槽的调换来相互转换，由此，区别在于信号的解释，而不是在于编码器形式。

Claims (11)

1.一种用于测量运动件的角速度或速度以及用于识别该运动件的运动方向的装置，该装置具有静止地设置或能静止地设置的传感器和设置在或能设置在所述运动件上的编码器，所述编码器与所述传感器一起产生遵循编码器形式的信号，其中，所述编码器对于角速度/速度测量所需的频率测量具有描述周期性图案的结构，其特征在于：所述传感器具有唯一一个用于测量频率和识别运动方向的传感器元件；所述编码器的周期性图案构造成不对称的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述传感器具有用于测量由所述传感器元件产生的信号的坡度或边缘持续时间的分析处理单元。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述传感器具有用于执行频谱信号分析处理的分析处理单元。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述分析处理单元被构造用于分析处理尽可能低阶的信号频率的谐波的相位。
5.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：这样构造所述传感器和编码器，使得产生具有陡峭和平缓的边缘区段的信号变化曲线。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：这样构造所述传感器和编码器，使得产生近似锯齿形的信号变化曲线。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：所述周期性图案涉及所述编码器图案的前后相继的周期的序列，其中，所述序列的对应的图案构造成不对称的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述序列由相同的对称的图案构成，所述图案彼此间的区别仅在于一个特性。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述序列的图案的特性具有三个不同的值。
10.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：所述编码器和传感器附加地被构造用于角度或行程测量。
11.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于：所述装置仅具有一个由编码器、传感器元件和相关的信号路径（放大器、滤波器等）构成的子系统。
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