CN112513578B - 旋转角测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测轴(12)的旋转运动的旋转角测量系统(10)，其具有转子单元(18)，该转子单元与轴(12)抗扭地连接并且径向包围轴(12)，该转子单元具有至少一个传感器磁体(24)；固定的定子单元(20)；和多圈传感器单元(30)，该多圈传感器单元沿径向与轴(12)间隔地布置在定子单元(20)上，并且该多圈传感器单元在功能上与传感器磁体(24)配合作用，以便检测轴旋转，多圈传感器单元具有韦根传感器(34)、至少一个霍尔传感器(40)和与韦根传感器(34)和霍尔传感器(40)电连接的评估单元(38)，其中，多圈传感器单元(30)具有单独的传感器单元电路板(32)，该传感器单元电路板紧固在定子单元(20)上，并且韦根传感器(34)、至少一个霍尔传感器(40)和评估单元(38)布置在该传感器单元电路板上。

Description

旋转角测量系统
本发明涉及一种用于检测轴的旋转运动的旋转角测量系统，其具有转子单元，该转子单元与所述轴抗扭地连接并且径向包围所述轴，该转子单元具有至少一个传感器磁体，所述旋转角测量系统还具有固定的定子单元和多圈传感器单元，该多圈传感器单元沿径向与所述轴间隔地布置在所述定子单元上，并且该多圈传感器单元在功能上与所述传感器磁体配合作用，以便检测轴旋转，所述多圈传感器单元具有韦根传感器、至少一个霍尔传感器和与所述韦根传感器和霍尔传感器电连接的评估单元。
这类的旋转角测量系统用于测量轴的旋转运动并且通常也被称为角测量装置、旋转角传感器或旋转编码器。这样的系统尤其用于控制和监视机器、设施或车辆中的电动马达、尤其伺服马达。其中，无接触的旋转角测量系统、例如光学或磁性激励的系统起着特别的作用，因为这类系统由于无磨损的传感装置而具有较长的使用寿命。
由专利文献DE 10 2009 019 719 A1例如已知一种用于检测轴的旋转运动的基于磁体的旋转角测量系统。在基于磁体的旋转角测量系统中，轴的旋转借助于测量系统纯磁性地或磁性光学地检测。该测量系统包括旋转的转子单元和固定的定子单元，在转子单元上布置有多个传感器磁体，多圈传感器单元(Multiturn-Sensoreinheit)沿径向与轴间隔地布置在定子单元上并且具有韦根传感器、霍尔传感器和评估单元。转子单元与轴抗扭地连接，从而当轴旋转时，传感器磁体从固定的多圈传感器单元的旁边经过，其中，传感器磁体的磁场由多圈传感器单元的韦根传感器和霍尔传感器检测。
视应用领域而定，由旋转角测量系统检测的轴可以不同地设计并且尤其还可以具有不同的外径。为了能够实现对轴的旋转运动的可靠的检测，旋转角测量系统必须适应于特殊的轴几何形状。在此决定性主要是转子单元的传感器磁体与多圈传感器单元的韦根传感器和霍尔传感器之间的精确定向，因此，当轴旋转时，传感器磁体的磁场能可靠地由多圈传感器单元检测。
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于检测轴的旋转运动的旋转角测量系统，该旋转角测量系统能以简单的方式适应于不同的轴几何形状。
该技术问题通过具有独立权利要求1的特征的用于检测轴的旋转运动的旋转角测量系统来解决。
按照本发明，所述多圈传感器单元具有单独的传感器单元电路板，该传感器单元电路板紧固在所述定子单元上，并且所述韦根传感器、至少一个霍尔传感器和评估单元布置在该传感器单元电路板上。因此，多圈传感器单元设计为独立的模块，其能够以简单的方式在定子单元上不同地定位和定向，以便根据轴几何形状确保对传感器磁体的磁场的可靠检测和因此对轴的旋转运动的可靠检测。因此，按照本发明的旋转角测量系统能够以简单的方式适应于不同的轴几何形状。
优选地，韦根传感器和霍尔传感器沿横向、即沿轴的周向彼此间隔地布置在传感器单元电路板上。因此，视轴的旋转方向而定，传感器磁体在其磁场被韦根传感器检测的时间点要么位于韦根传感器的朝向霍尔传感器的横向侧上要么位于韦根传感器的背离霍尔传感器的横向侧上，并且因此该传感器磁体位于相对于霍尔传感器的不同的距离处。由此产生针对该时间点的视旋转方向而定的不同的霍尔传感器测量值，因此通过评估针对该时间点的霍尔传感器测量值能以简单的方式确定轴的旋转方向。
在本发明的优选实施方式中，所述韦根传感器布置在所述传感器单元电路板的第一轴向侧上，并且所述霍尔传感器布置在传感器单元电路板的第二轴向侧上，该第二轴向侧与第一轴向侧相对置。在这种情况下，霍尔传感器通常布置在传感器单元电路板的朝向转子单元的轴向侧上，从而传感器磁体以非常小的轴向距离被导引经过霍尔传感器。因此，传感器磁场在霍尔传感器的位置上具有较大的轴向的磁场分量，从而传感器磁场能可靠地由霍尔传感器检测。韦根传感器通常布置在传感器单元电路板的背离转子单元的轴向侧上并且因此布置在相对于传感器磁体的较大的距离处。传感器磁场因此在韦根传感器的位置上具有大的横向的磁场分量，从而传感器磁场能可靠地由韦根传感器的韦根线检测，该韦根线通常沿径向朝所述轴延伸并且因此在横向平面内延伸。因此，通过将韦根传感器和霍尔传感器布置在传感器单元电路板的相对置的轴向侧上确保可靠且精确地检测轴的旋转运动。
多圈传感器单元有利地具有集成电路，评估单元和霍尔传感器通过该集成电路产生。这种集成电路是可商购的并且能够以简单的方式布置在传感器单元电路板上。这实现了低成本且可靠的旋转角测量系统。
在本发明的特别有利的实施方式中，所述集成电路布置在所述传感器单元电路板的朝向转子单元的轴向侧上，并且所述定子单元在背离转子单元的轴向侧上具有留空部，带有霍尔传感器的集成电路至少部分地插入该留空部中。因此，传感器磁体和霍尔传感器之间的轴向距离非常小，从而传感器磁场能由霍尔传感器可靠地检测。
转子单元优选具有沿着周围均匀分布的四个传感器磁体。由此，轴的半圈旋转就能被韦根传感器检测到，从而能够实现对轴的旋转运动的可靠的检测。
在本发明的优选实施方式中，所述轴是空心轴。按照本发明的旋转角测量系统尤其还适合于对空心轴的旋转运动的检测，在没有特殊的预备措施的情况下，传感装置在轴的轴向端部上的常规布置对于空心轴是不可行的。
有利地设有电容式的单圈传感器单元，用于检测轴的部分旋转(Wellen-Teildrehungen)，该单圈传感器单元包括与所述轴抗扭连接的第一单圈传感器元件和固定的第二单圈传感器元件。电容式的单圈传感器单元能以简单的方式集成到旋转角测量系统中并且能够实现对轴旋转运动的特别精确的检测。
以下参照附图描述按照本发明的旋转角测量系统的实施例，其中
图1示出按照本发明的旋转角测量系统的纵剖面图；
图2示出朝图1中的旋转角测量系统的定子单元的轴向下侧观察的视图，在该下侧上布置有多圈传感器单元；
图3示出沿线III-III剖切的图2中的定子单元和传感器单元的剖面图；和
图4示出图1中的旋转角测量系统的转子单元的轴向上侧的立体图。
图1示出用于检测轴12的旋转运动的旋转角测量系统10。在本实施例中，轴12是空心轴，该空心轴基本上沿轴向方向延伸并且由具有静止的马达壳体16的驱动马达14驱动。旋转角测量系统10包括转子单元18和定子单元20。
转子单元18具有转子电路板22，该转子电路板径向地包围轴12并且直接紧固在轴12上。因此，转子单元18与轴12抗扭地连接。在转子电路板22的轴向上侧上布置有沿着该转子电路板的周围均匀分布的四个传感器磁体24。定子单元20具有径向包围轴12的定子电路板26。定子电路板26通过多个定子紧固件28固定地紧固在静止的马达壳体16上。
多圈传感器单元30沿径向与轴12间隔地布置在定子电路板26的轴向下侧上。多圈传感器单元30具有单独的传感器单元电路板32，在该传感器单元电路板上布置有韦根传感器34和集成电路36。传感器单元电路板32例如通过粘贴连接或插塞连接紧固在定子电路板26的轴向下侧上。集成电路36包括彼此电连接的评估单元38和霍尔传感器40。评估单元38还与韦根传感器34电连接并且在信号技术上与未详细示出的非易失数据存储器连接，在该非易失数据存储器中，转数值由评估单元38存储和读出。集成电路36还包括未详细示出的控制逻辑单元和未详细示出的能量管理系统，该能量管理系统能够使多圈传感器单元30通过从韦根传感器34获得的电能实现能量自给自足地运行。多圈传感器单元30的基本工作原理基本上可以从专利文献DE 102 59 223 B3获得，在此明确地引用该专利文献。
韦根传感器34布置在传感器单元电路板32的第一轴向侧A1、此处为轴向下侧上并且紧固在传感器单元电路板32上。集成电路36布置在传感器单元电路板32的与第一轴向侧A1相对置的第二轴向侧A2、此处为轴向上侧上并且紧固在传感器单元电路板32上。集成电路36基本上完全插入(或者说潜入)相适配的定子电路板留空部42中，该定子电路板留空部构造在定子电路板26的轴向下侧上。多圈传感器单元34如此定位和定向，使得当轴12旋转时，韦根传感器34和霍尔传感器40都能可靠地检测传感器磁体24的与轴12一同旋转的磁场。韦根传感器34和集成电路36沿横向彼此间隔地布置在传感器单元电路板32上，使得韦根传感器34和霍尔传感器40沿周向彼此偏移地定位。一旦韦根传感器34检测到传感器磁体24的磁场，就由评估单元38评估由霍尔传感器40检测到的霍尔传感器测量值。视轴12的旋转方向而定，传感器磁体24在该检测时间点要么位于韦根传感器34的朝向霍尔传感器40的横向侧上要么位于韦根传感器34的背离霍尔传感器40的横向侧上，并且因此该传感器磁体位于相对于霍尔传感器40的不同的距离处。由此产生针对该检测时间点的视旋转方向而定的不同的霍尔传感器测量值，因此通过评估针对检测时间点的霍尔传感器测量值能以简单的方式确定轴12的旋转方向。
为了改善角度分辨率，旋转角测量系统10包括未详细示出的具有第一单圈传感器元件和第二传感器元件的电容式的单圈传感器单元，第一单圈传感器元件布置在转子单元18的轴向下侧上并且因此与轴12抗扭地连接，第二传感器元件固定地布置在定子单元20的轴向上侧上。旋转角测量系统10还具有未详细示出的中央逻辑单元，该中央逻辑单元在信号技术上与多圈传感器单元34和单圈传感器单元连接，以便既确定轴的绝对转数又确定轴的当前的相对旋转角。中央逻辑单元可以例如由微控制器或者由所谓的“现场可编程门阵列”(FPGA)构成。
附图标记列表
10 旋转角测量系统
12 轴
14 驱动马达
16 马达壳体
18 转子单元
20 定子单元
22 转子电路板
24 传感器磁体
26 定子电路板
28 定子紧固件
30 多圈传感器单元
32 传感器单元电路板
34 韦根传感器
36 集成电路
38 评估单元
40 霍尔传感器
42 定子电路板留空部
A1 第一轴向侧
A2 第二轴向侧

Claims (8)

1.一种用于检测轴(12)的旋转运动的旋转角测量系统(10)，具有
转子单元(18)，该转子单元与所述轴(12)抗扭地连接并且径向包围所述轴(12)，该转子单元被所述轴(12)延伸穿过并且具有至少一个传感器磁体(24)；
固定的定子单元(20)，该定子单元包括定子电路板(26)；和
多圈传感器单元(30)，该多圈传感器单元沿径向与所述轴(12)相邻地布置在所述定子电路板(26)上，并且在功能上与所述传感器磁体(24)配合作用，以便检测轴旋转，所述多圈传感器单元具有
韦根传感器(34)、
至少一个霍尔传感器(40)和
与所述韦根传感器(34)和霍尔传感器(40)电连接的评估单元(38)，
其特征在于，
所述多圈传感器单元(30)具有紧固在所述定子电路板(26)上的单独的传感器单元电路板(32)，并且所述韦根传感器(34)、至少一个霍尔传感器(40)和评估单元(38)布置在该传感器单元电路板上。
2.根据权利要求1所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述韦根传感器(34)和霍尔传感器(40)横向彼此间隔地布置在所述传感器单元电路板(32)上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述韦根传感器(34)布置在所述传感器单元电路板(32)的第一轴向侧(A1)上，并且所述霍尔传感器(40)布置在传感器单元电路板(32)的第二轴向侧(A2)上，该第二轴向侧与第一轴向侧(A1)相对置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述多圈传感器单元(30)具有集成电路(36)，所述评估单元(38)和霍尔传感器(40)通过该集成电路产生。
5.根据权利要求4所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述集成电路(36)布置在所述传感器单元电路板(32)的第二轴向侧(A2)上，并且所述定子电路板(26)在背离所述转子单元(18)的轴向侧上具有留空部(42)，集成电路(36)至少部分地插入该留空部中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述转子单元(18)具有沿着周围均匀分布的四个传感器磁体(24)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的旋转角测量系统(10)，其中，所述轴(12)是空心轴。
8.根据前述权利要求中任一项所述的旋转角测量系统(10)，其中，设有电容式的单圈传感器单元，用于检测轴的部分旋转，该单圈传感器单元包括与所述轴抗扭连接的第一单圈传感器元件和固定的第二单圈传感器元件。
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