DE10007011A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Position von Teilen, insbesondere der Relativgeschwindigkeit und/oder der relativen Position von zumindest zwei Teilen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, um mittels Feldmessungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern eine Relativposition und/oder -geschwindigkeit zwischen zumindest zwei Teilen zu bestimmen. Hierzu wird ein sich periodisch veränderndes oder veränderbares Feld verwendet, welches mittels zumindest zwei Sensoren abgetastet wird, die um eine Viertelperiode des Feldes beabstandet sind. Die Auswertung kann mittels einer Wheatstonesche-Brückenschaltung erfolgen. Vorteilhafterweise werden Elemente mit linearer Kennlinie verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren, um mittels zumindest eines Feldes, insbesondere eines elektrischen und/oder Magnetfeldes, die Geschwindigkeit und/oder die Position von Teilen, insbesondere die Relativgeschwindigkeit und/oder die relative Position von zumindest zwei Teilen, zu bestimmen.

Die Erfindung kann insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Anwendung finden auf die Erfassung von Winkelpositionen und/oder Drehzahlen eines drehbaren Körpers, jedoch kann sie ebenfalls eingesetzt werden, um Relativgeschwindigkeiten und/oder -positionen bei linearen oder anderen Bewegungen zu erfassen. Die Erfassung kann generell berührungsfrei und bei hoher Präzision erfolgen.

Aus der EP 0 427 882 B1 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Diese Vorrichtung soll dazu dienen, geringe Versetzungen exakt zu erfassen. Die Vorrichtung umfaßt ein Feld von feststehenden magnetfeldempfindlichen Elementen und ein bezüglich dem Feld bewegliches Magnetglied. Das magnetische Glied kann u. a. in der Form eines Polrades ausgebildet sein. Die von dem Sensorfeld erfaßten Signale werden in eine spezifische Auswertschaltung gespeist. Das Ergebnis kann dadurch ermittelt werden, daß der lineare Teil des bzw. der sinusförmigen Signale genutzt wird. Alternativ kann auch ein sogenanntes Arkustangens-Verfahren verwendet werden. Das zuerstgenannte Verfahren ist relativ ungenau und schränkt den Meßbereich stark ein. Das zuletztgenannte Verfahren erfordert eine aufwendige Signalverarbeitung und ist somit kostspielig und zeitaufwendig.

Es besteht dementsprechend ein Bedarf für eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren, um mittels zumindest eines Feldes, insbesondere Magnetfeldes und/oder elektrischen Feldes, die Relativgeschwindigkeit und/oder die relative Position von Teilen einfach und genau zu bestimmen.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 in solch einer Weise weiterzubilden, daß eine einfache und genaue Erfassung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 definiert.

Die Erfindung basiert im wesentlichen auf einem Zusammenspiel zwischen einer felderzeugenden und/oder - verändernden Einrichtung und einer auf das Feld ansprechenden Einrichtung. Die felderzeugende und/oder - verändernde Einrichtung stellt ein sich periodisch veränderndes bzw. veränderbares Feld bereit, wobei die auf das Feld ansprechende Einrichtung zumindest zwei Sensoren enthält, die im wesentlichen um eine Viertelperiode des sich periodisch verändernden Feldes versetzt bzw. beabstandet sind. Die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung, einschließlich der elektronischen Auswertbestandteile, sollten zudem ein lineares Ansprechverhalten auf das Feld aufweisen, welches ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder auch ein beliebiges elektromagnetisches Feld sein kann.

Insbesondere schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor, um mittels zumindest eines Feldes, insbesondere eines Magnetfeldes und/oder elektrischen Feldes die Relativgeschwindigkeit und/oder die relative Position von zumindest zwei Teilen zu bestimmen, von denen zumindest eines eine felderzeugende und/oder -verändernde Einrichtung und zumindest ein anderes eine auf das Feld ansprechende Einrichtung enthält, wobei sich die Vorrichtung dadurch auszeichnet, daß die felderzeugende und/oder -verändernde Einrichtung ein sich periodisch verändertes Feld bereitstellt, während die auf das Feld ansprechende Einrichtung zumindest zwei im wesentlichen um eine Viertelperiode des Feldes versetzte Sensoren enthält.

Vorteilhafterweise sind die Sensoren mit einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstoneschen- Brückenschaltung, verbunden, so daß die Auswertung einfach und mit kommerziell verfügbaren Elementen dargestellt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann jeweils ein Sensor mit einer Teil-, insbesondere Halbbrücke, der Brückenschaltung verbunden sein, so daß die Sensoren gleichzeitig ihre Signale an die Brückenschaltung abgeben können, welche ohne Einsatz von zusätzlichen Algorithmen direkt ein Geschwindigkeits- bzw. Positionssignal generieren kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung und/oder die Brückenschaltung Elemente mit im wesentlichen linearer Kennlinie, und ist insbesondere insgesamt aus Elementen mit im wesentlichen linearer Kennlinie aufgebaut, so daß z. B. bei Verwendung eines Magnetfeldes der Widerstand eines Einzelelementes linear vom Betrag des Magnetfeldes abhängig ist. Somit kann die Vorrichtung direkt als Ausgangssignal ein vom Drehwinkel annähernd linear abhängiges Signal bereitstellen, so daß keine aufwendigen Auswertelektroniken erforderlich sind. Die möglicherweise annähernd dreiecksförmige Kennlinie, z. B. bei magnetoresistiven Sensorelementen auf der Basis von GMR-Material (giant magneto resistance), bewirkt bei Verwendung der oben dargelegten Wheatstoneschen-Brückenschaltung eine Betragsbildung des Signales, wobei die resultierende Gesamtfunktion annähernd linear ist mit einer Maximalabweichung von unter 1% über die halbe Periode. Im Vergleich hierzu zeigt eine klassische Sinus- oder Kosinusfunktion, wie sie beim Stand der Technik resultiert, eine Linearitätsabweichung von etwa 3%, und dies bereits bei einer Viertelperiode.

Obwohl die felderzeugende und/oder -verändernde Einrichtung und/oder die auf das Feld ansprechende Einrichtung auch linear ausgebildet sein kann/können, sind bzw. ist diese vorteilhafterweise gekrümmt, insbesondere in der Form einer Kreisbahn, z. B. an einer kreisförmigen Scheibe angeordnet oder in der Form eines Kreisringes, z. B. an der Mantelfläche eines Zylinders angeordnet.

Vorteilhafterweise ist die felderzeugende Einrichtung ein sogenanntes Multipolrad oder ein Multipolring, welches bzw. welcher alternierend angeordnete Feldpole enthält. Beispielhaft könnte ein Multipolrad vorgesehen sein, welches gegenüberstehend der auf das Feld ansprechenden Einrichtung jeweils abwechselnd Nord- und Südpole von Permanentmagneten aufweist.

Alternativ oder zusätzlich kann die felderzeugende und/oder -verändernde Einrichtung eine Scheibe oder ein Ring sein, welche bzw. welcher abwechselnd felderzeugende und nicht­ felderzeugende bzw. stärker und schwächer feldbeeinflussende Bereiche enthält. Anders ausgedrückt kann im Gegensatz zu den oben dargelegten Multipolrädern auch ein sich veränderndes Feld bereitgestellt werden, welches keinen Nulldurchgang aufweist. Wenn eine feldverändernde Einrichtung verwendet wird, könnte diese beispielhaft als eine Schlitzscheibe, Stanzscheibe oder einfach als Zahnrad ausgebildet sein, wobei die einzelnen Zähne bzw. Stege und Freiräume das entsprechende Feld beeinflussen können. Dementsprechend sollte die feldverändernde Einrichtung in Abstimmung auf das verwendete Feld gewählt werden, z. B. bei einem elektrischen Feld, eine Dielektrizitätskonstante von gewähltem Wert aufweisen und bei einem magnetischen Feld über eine entsprechende magnetische Permeabilität verfügen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung in solch einer Weise ausgebildet, daß der oder die Pol(e) ein radiales Feld bzw. Felder bilden. In diesem Fall wird die auf das Feld ansprechende Einrichtung bei einer entsprechenden radial beabstandeten Position vorliegen. In dieser Weise kann eine Drehung des drehbaren Teiles mit der felderzeugenden und/oder -verändernden Einrichtung bezüglich einer feststehenden auf das Feld ansprechenden Einrichtung bestimmt werden. Alternativ könnte auch die auf das Feld ansprechende Einrichtung umlaufend ausgebildet sein, wobei sich in diesem Fall ebenfalls die Umlaufposition exakt bestimmen läßt.

Alternativ zu einem oder mehreren radialen Feldern kann die Vorrichtung auch ausgebildet sein, um axiale Felder bereitzustellen. Bei axial gebildeten Feldern kann z. B. bei der Erfassung von Winkelpositionen und/oder Geschwindigkeiten der Einfluß einer Unwucht des sich drehenden Körpers reduziert werden.

Schließlich schlägt die Erfindung neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein Verfahren vor, um die Relativgeschwindigkeit und/oder die relative Position von zumindest zwei Teilen zu bestimmen, bei welchem an einem Teil vorgesehene Sensoren ein durch ein anderes Teil erzeugtes und/oder verändertes Feld, insbesondere ein elektrisches und/oder Magnetfeld, erfassen und an eine Auswerteschaltung ausgeben, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, daß das Feld ein sich im wesentlichen periodisch veränderndes und/oder veränderbares Feld ist, und daß zumindest zwei im wesentlichen um eine Viertelperiode des Feldes versetzte Sensoren gleichzeitig die Auswerteschaltung speisen. Die bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren gelesen werden, so daß z. B. auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl radiale als auch axiale Felder und z. B. eine Wheatstonsche-Brückenschaltung zum Einsatz kommen können.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine einfache Bewegungs- und/oder Positionsbestimmung ermöglicht wird, die mit einfachen Rechenoperationen und hoher Genauigkeit erfolgt. Bei der beispielhaften Verwendung einer Wheatstoneschen-Brücke in Verbindung mit Elementen von annähernd linearer Kennlinie kann im wesentlichen unter der erwähnten Betragsbildung ein Ausgangssignal erzeugt werden, welches der Gleichung genügt:

S_out = [(|cos(x)| - |sin(x)|]/[2 + |cos(x)| + |sin (x)|],

Somit liegt eine annähernde Linearität bei einer Maximalabweichung von unter 1% über Lambda-halbe (λ/2), während eine Sinus- oder Kosinusauswertung gemäß dem Stand der Technik zu einer Linearitätsabweichung von etwa 3% führt. Demzufolge stellt die Erfindung einen wesentlichen Fortschritt bezüglich der Genauigkeit dar, ohne daß aufwendige Auswerteschaltungen erforderlich sind, wobei auch die Beschränkung auf sehr geringe Winkelwerte überwunden wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden lediglich beispielhaften Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.

Fig. 1 zeigt in schematischer Seiten- und Aufsicht eine magnetfelderzeugende Einrichtung und eine auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung als Bestandteile einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt in schematischer Seiten- und Aufsicht eine magnetfelderzeugende Einrichtung, eine magnetfeldverändernde Einrichtung und eine auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung als Bestandteil einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die auf den Prinzipien der Fig. 1 beruht, wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung als Multipolrad ausgebildet ist, welches axiale Magnetfelder bildet.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die auf den Prinzipien der Fig. 1 beruht, wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung als Multipolrad ausgebildet ist, welches radiale Magnetfelder bildet.

In der folgenden Beschreibung wird lediglich beispielhaft ausschließlich auf Magnetfelder Bezug genommen. Der Fachmann wird jedoch erkennen, daß in entsprechender Weise auch elektrische Felder oder auch elektromagnetische Felder verwendet werden können, mittels entsprechender Adaptation der einzelnen Bestandteile. Beispielhaft können die felderzeugende Einrichtung auch aus einer Vielzahl von Leuchtdioden gebildet sein, wobei entsprechend die auf das Feld ansprechende Einrichtung optoelektronische Sensoren enthalten würde.

In Fig. 1 ist als felderzeugende Einrichtung eine magnetfelderzeugende Einrichtung 20 dargestellt, die mehrere alternierend angeordnete Permanentmagneten enthält. Durch die alternierende Anordnung wird ein sich periodisch veränderndes Magnetfeld erzeugt, wobei eine regelmäßige Aufteilung gewählt ist, die eine Periodenlänge von Lambda (λ) bereitstellt. Oberhalb der magnetfelderzeugenden Einrichtung 20 ist eine auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung 10 dargestellt, die zwei magnetoresistive Sensoren 12, 14 enthält. Die magnetoresistiven Sensoren 12, 14 sind um Lambda-viertel (λ/4), d. h. um eine Viertelperiode, beabstandet. Die auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung 10 speist mittels der zwei Sensoren eine nichtdargestellte Wheatstonsche- Brückenschaltung, wobei die magnetoresistiven Sensoren 12, 14 ihre jeweiligen Meßsignale gleichzeitig an jeweils eine Halbbrücke ausgeben.

Bei einer relativen Bewegung zwischen den zwei Teilen 10 und 20, wobei sich entweder das Teil 10 oder das Teil 20 oder auch beide Teile bewegen können, läßt sich somit in exakter Weise die jeweilige Position und/oder die relative Geschwindigkeit exakt bestimmen. Durch die Wheatstonsche- Brückenschaltung wird eine Betragsbildung erzielt, wobei die jeweils verwendeten Elemente vorteilhafterweise lineare Kennlinien aufweisen. Demzufolge resultiert ein annähernd lineares Ausgangssignal, welches unmittelbar ohne Zwischenschaltung von aufwendigen Auswerteschaltungen verwendet werden kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird das sich periodisch verändernde Magnetfeld nicht durch mehrere Permanentmagneten erzeugt, sondern durch einen ortsfesten Magneten, über welchem eine bewegliche magnetfeldverändernde Anordnung 30 positioniert ist. Die magnetfeldverändernde Anordnung 30 ist in der gezeigten Ausführungsform als einfaches Schlitzblech ausgebildet, so daß wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein sich sinusartig veränderndes periodisches Magnetfeld darüberliegend erzeugt wird. Dieses wird wie vorangehend mittels der auf das Magnetfeld ansprechenden Einrichtung 10 erfaßt. Die einzelnen Sensoren 12, 14 geben den Erfassungswert an die Wheatstonsche-Brückenschaltung aus, so daß eine entsprechende Betragsbildung und Glättung des Ausgangssignales erzielt wird, welches von der Position x der magnetfeldverändernden Einrichtung entsprechend der Gleichung:

S_out = [|cos(x)| - |sin(x)|]/[2 + |cos(x)| + |sin(x)|]

In den Fig. 3 und 4 ist die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform in jeweils einer Variante dargestellt, bei welchem einerseits ein axiales Magnetfeld und andererseits ein radiales Magnetfeld bereitgestellt wird. Mit diesen beiden Ausführungsformen lassen sich entsprechend genau Winkelbewegungen positions- und/oder geschwindigkeitsmäßig erfassen, wobei sich die magnetfelderzeugende Einrichtung 20 und/oder die auf das Magnetfeld ansprechende Einrichtung 10 bewegen kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei der Einrichtung 10 auch um ein feststehendes Bauteil, beispielsweise einen Sensor, dessen Position bekannt ist, handeln kann.

Der Fachmann wird erkennen, daß verschiedenste Veränderungen und Modifikationen im Rahmen der Ansprüche möglich sind, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Insbesondere wäre es bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform auch möglich, statt alternierender Magnete abwechselnd magnetisierte und nichtmagnetisierte Bereiche vorzusehen, so daß anstelle des sinusförmigen Magnetfeldes mit Nulldurchgang ein im wesentlichen sinusförmiges Magnetfeld ohne Nulldurchgang bereitgestellt wird. Ferner wird der Fachmann erkennen, daß obwohl in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ formen ausschließlich auf Magnetfelder Bezug genommen wurde, eine entsprechende Portierung auf elektrische Felder und/oder elektromagnetische Felder in einfacher Weise möglich ist. Wesentlich für die Erfindung ist, daß ein periodisches Feld erzeugt wird, welches mittels zumindest zwei Sensoren erfaßt wird, die um eine Viertelperiode beabstandet sind. Diese Beabstandung ermöglicht es insbesondere in Verbindung mit einer Wheatstoneschen Brückenschaltung und bei Verwendung von Elementen mit linearer Kennlinie, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Position von Teilen, insbesondere der Relativgeschwindigkeit und/oder der relativen Position von zumindest zwei Teilen (10, 20; 10; 30) mittels zumindest eines Feldes, insbesonderes Magnetfeldes und/oder elektrischen Feldes, wobei zumindest eines der Teile eine felderzeugende (20) und/oder -verändernde (30) Einrichtung, und zumindest ein anderes Teil eine auf das Feld ansprechende Einrichtung (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende (20) und/oder -verändernde (30) Einrichtung ein sich periodisch veränderndes Feld bereitstellt, und daß die auf das Feld ansprechende Einrichtung (10) zumindest zwei im wesentlichen um eine Viertelperiode des Feldes versetzte Sensoren (12, 14) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (12, 14) mit einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstonschen- Brückenschaltung verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Sensor (12, 14) mit einer Teil-, insbesondere Halbbrücke, der Brückenschaltung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Feld ansprechende Einrichtung (10) und/oder die Brückenschaltung Elemente mit im wesentlichen linearer Kennlinie enthält, insbesondere aus Elementen mit im wesentlichen linearer Kennlinie aufgebaut ist/sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende (20) und/oder -verändernde (30) Einrichtung und/oder die auf das Feld ansprechende Einrichtung (10) gekrümmt ist, insbesondere im wesentlichen eine Kreisbahn oder einen Kreisring beschreibend.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende (20) und/oder -verändernde (30) Einrichtung eine Scheibe oder ein Ring ist, welches bzw. welcher abwechselnd felderzeugende und nichtfelderzeugende bzw. stärker und schwächer feldbeeinflussende Bereiche enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugende Einrichtung (20) ein Multipolrad oder -ring ist, welches bzw. welcher alternierend angeorndete Feldpole enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß radiale Felder gebildet werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß axiale Felder gebildet werden.

10. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Position von Teilen, insbesondere der Relativgeschwindigkeit und/oder die relative Position von zumindest zwei Teilen (10, 20; 10, 30), bei welchem an einem Teil (10) vorgesehene Sensoren (12, 14) ein durch ein anderes Teil (20, 30) erzeugtes und/oder verändertes Feld, insbesondere elektrisches und/oder Magnetfeld, erfassen und an eine Auswertschaltung ausgeben, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld ein sich im wesentlichen periodisch veränderndes und/oder veränderbares Feld ist, und daß zumindest zwei im wesentlichen um eine Viertelperiode des Feldes versetzte Sensoren (12, 14) gleichzeitig die Auswertschaltung speisen.

11. Vorfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausführung des Verfahrens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.