DE102004001570B4

DE102004001570B4 - Messverfahren sowie Messvorrichtung zum Durchführen des Messverfahrens

Info

Publication number: DE102004001570B4
Application number: DE102004001570.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Vogt Günther; Alfred Gause
Original assignee: AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Current assignee: AMK Arnold Mueller GmbH and Co KG
Priority date: 2004-01-10
Filing date: 2004-01-10
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2024-01-11
Also published as: DE102004001570A1

Abstract

Messverfahren mit einer magnetischen Messvorrichtung, mit einer beweglichen Maßverkörperung (11) aus zwei fest miteinander verbundenen, magnetpolbestückten Maßkörpern (12, 13), von denen ein erster Maßkörper (12) eine für eine gewünschte Messwertauflösung erforderliche Anzahl von jeweils aus zwei Magnetpolen mit entgegengesetzter Polarität bestehenden Magnetpolpaaren und der zweite Maßkörper (13) eine um ein Magnetpolpaar kleinere Anzahl von jeweils aus zwei Magnetpolen entgegengesetzter Polarität bestehenden Magnetpolpaaren aufweist, und mit relativ zur Maßverkörperung (11) feststehenden, den Maßkörpern (12, 13) zugeordneten Sensoreinheiten, die jeweils beim Vorbeibewegen eines Magnetpolpaars ein einer Sinusfunktion gehorchendes erstes Messsignal (Ua1, Ua3) und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes zweites Messsignal (Ua2, Ua4) erzeugen, und mit einer Recheneinheit (18) zur Signalverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich zwei Sensoreinheiten (14, 15) vorgesehen sind, von denen eine (14) einem Maßkörper (12) und die andere (15) dem anderen Maßkörper (13) zugeordnet ist, und dass die Messsignale (Ua1 bis Ua4) der beiden Sensoreinheiten (14, 15) der Recheneinheit (18) zugeführt werden und die Recheneinheit (18) aus diesen Messsignalen (Ua1 bis Ua4) ein einer Sinusfunktion gehorchendes, erstes abgeleitetes Messwertsignal (Ua5) und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes, zweites abgeleitetes Messwertsignal (Ua6) und aus dem Arcus Tangens (arc tan) des Quotienten der abgeleiteten Messwertsignale (Ua5, Ua6) den Positions-Absolutwert der 360°-Verschiebeposition eines sich linear verschiebenden Teils oder der 360°-Drehwinkelposition eines sich drehenden Teils, der jeweils mit der Maßverkörperung (11) versehen ist, berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren mit einer magnetischen Messvorrichtung gemäß der Merkmalsausgestaltung des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Messvorrichtung zum Durchführen dieses Messverfahrens.
Bei einem bekannten Messverfahren mit einer magnetischen Messvorrichtung zum Messen der absoluten Winkelposition eines sich drehenden Teils weist die Maßverkörperung zwei voneinander beabstandet auf einer gemeinsamen Welle drehfest sitzende Polräder auf, von denen das eine Polrad ein Magnetpolpaar mit einem Nord- und einem Südpol und das andere Polrad einen Ringmagneten mit einer größeren Anzahl von z. B. acht im Ringmagneten ausgebildeten Magnetpolpaaren mit jeweils einem Nord- und Südpol besitzt. Jedem Polrad ist eine magnetische Sensoreinheit zugeordnet die an ihren zwei Ausgängen zwei gleiche, um 90° gegeneinander verschobene Messsignale ausgibt. Die dem ersten Polrad mit dem einen Magnetpolpaar zugeordnete erste Sensoreinheit liefert bei Drehung der Polräder eine Periode eines Sinussignals und eines Kosinussignals pro Umdrehung. Die dem zweiten Polrad mit den acht Polpaaren zugeordnete zweite Sensoreinheit liefert beim Drehen der Polräder acht Perioden eines Sinus- und Kosinussignals pro Umdrehung. Die Messwerte der ersten Sensoreinheit werden benutzt, um zu bestimmen, welcher Polpaar-Sektor des Magnetrings des zweiten Polrads gerade der zweiten Sensoreinheit gegenüberliegt, geben also grobe Absolutwerte der Drehwinkelposition der Maßverkörperung an, während die Messwerte der zweiten Sensoreinheit eine Feinauflösung der Polradposition innerhalb dieses Sektors ermöglicht, wobei der Grad der Auflösung durch die Anzahl der Magnetpolpaare im zweiten Polrad festgelegt ist. Ein Absolutwert-Signal mit nur einem Magnetpolpaar ist technisch recht schwierig darzustellen, insbesondere in Verwendung mit Hohlwellen und Linearmessstäben.
Bei einem bekannten Messverfahren zum Messen von Winkeln nebst Vorrichtung ( DE 198 18 799 A1 ) weist die Maßverkörperung zwei auf einer drehbaren Achse angeordnete, magnetisch codierte Ringe auf, wobei die Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang eines Rings teilerfremd ist zu der Anzahl der Magnetpole auf dem halben Umfang des anderen Rings. In einem beschriebenen Beispiel unterscheidet sich die Anzahl der durch die magnetische Codierung aus je einem Süd- und Nordpol bestehenden Magnetpolpaare um ein Magnetpolpaar, also um zwei Magnetpole. Eine die Messverkörperung abtastende Sensoreinheit umfasst einen dem einen Ring zugeordneten ersten Sensor und einen dem zweiten Ring zugeordneten zweiten Sensor sowie einen einem der beiden Ringe zugeordneten dritten Sensor. Der erste und zweite Sensor ist jeweils ein magnetoresistiver Sensor und der dritte Sensor ist ein Hallsensor. Aus den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Sensors wird der Phasenversatz bestimmt und am Ausgangssignal des Hallsensors dessen Vorzeichen oder Signum. Letzteres ändert sein Vorzeichen, je nachdem, ob ein Süd- oder ein Nordpol an dem Hallsensor vorbeidreht. Aus der Abfolge des Vorzeichenwechsels im Ausgangssignal des Hallsensors und des Phasenversatzes der Messsignale des ersten und zweiten Sensors wird der Absolutwinkel zwischen 0° und 360° der Achse bzw. der Messvorrichtung eindeutig bestimmt.
Bei einem bekannten Messverfahren zum berührungslosen Erfassen der Lage oder Drehstellung eines Gegenstandes ( DE 196 32 656 A1 ) weist die Maßverkörperung eine Scheibe mit zwei konzentrischen Spuren auf. Jede Spur hat mehrere aufeinanderfolgende, magnetisierte Inkremente, die jeweils einen Nord- und Südpol aufweisen. Die Anzahl der Inkremente auf den Spuren differieren um ein Inkrement, so dass die innere Spur n – 1 und die äußere Spur n Inkremente besitzt.
Beide Spuren werden mit zwei Sensoren, z. B. Hallsonden, Induktionsspulen und dgl., die bezogen auf die Länge 360° eines Inkrements um 90° gegeneinander versetzt sind, abgetastet, wobei jedes Inkrement eine volle Periode eines Sinus- bzw. eines Cosinussignals erzeugt. Da die äußere Spur eine volle Periode mehr erzeugt, wächst die Phasendifferenz zwischen den beiden Spulen linear von 0 bis 2π (entsprechend 360° einer vollen Sinus-Periode eines Inkrements) an. Die beiden gegeneinander versetzten Sensoren liefern in Abhängigkeit von der Drehstellung der Maßverkörperung ein Sinussignal und ein Kosinussignal, die von einer Sample-and-Hold-Schaltung abgetastet werden. Aus den Abtastwerten wird ein Drehwinkelsignal für die Maßverkörperung berechnet. Da die beiden Spuren zeitlich abwechselnd von der Schaltung abgetastet und die Abtastwerte getrennt gespeichert werden, ergibt sich für jede Spur ein Drehwinkelsignal. Durch Subtraktion der beiden Spursignale ergibt sich ein Phasendifferenzsignal, das korrigiert werden muss, um eine eindeutige Aussage über den gemessenen Drehwinkel zu erhalten. Ist das Phasendifferenzsignal positiv, so stellt es direkt den zu erfassenden Winkel dar. Ist es dagegen negativ, so wird es additiv mit einem konstanten Korrekturwert korrigiert, der dem Winkelbereich 2π eines Inkrements entspricht.
Durch die DE 195 02 399 C2 ist ein Verfahren zur Fehlerkorrektur bei einem Positionssensor mit einer drehenden Welle bekannt, der sinus- und cosinusförmige Signale erzeugt, die mit einem Analog-Digital-Wandler umgewandelt werden, wobei die durchschnittlichen Maximal- und Minimalwerte der Signale aus einer vorgegebenen Anzahl von ermittelten Minimal- und Maximalwerten der Signale berechnet werden und mit diesen Durchschnittswerten der Offset und/oder die Amplitude der Signale korrigiert wird, wobei die Drehzahl innerhalb einer Umdrehung der Welle ermittelt wird und wobei die Korrektur des Offsets und der Amplitude der Signale drehzahlabhängig erfolgt.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren mit einer magnetischen Messvorrichtung zur Messung einer Absolutposition nebst einer Messvorrichtung zum Durchführen dieses Messverfahrens anzugeben, die sowohl für rotatorische Positionsmessung als auch für lineare Positionsmessung gut geeignet sind und eine hohe Messauflösung liefern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 in seiner Gesamtheit gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren nebst der magnetischen Messvorrichtung zum Durchführen des Messverfahrens haben den Vorteil, dass ein wie bei dem bekannten Messverfahren nebst Messvorrichtung von der Anzahl der Magnetpolpaare abhängige Messauflösung erreicht wird, ohne dass hierbei ein Maßkörper der Beschränkung auf ein Magnetpolpaar unterliegt. Bei Ausführung der Maßkörper als Polräder hat dies den Vorteil, dass der Durchmesser beider Polräder beliebig gewählt werden kann. Die magnetische Messvorrichtung eignet sich daher sehr gut für die Messung der Positionswinkel von Hohlwellen, da die Polräder problemlos außen auf Hohlwellen mit unterschiedlichen Durchmessern aufgesetzt werden können. Die Messvorrichtung eignet sich in gleich guter Weise für die Messung der Absolutposition bei Linearverschiebungen, z. B. der Absolutposition des beweglichen Teils eines elektrischen Linearmotors oder des Abtriebsglieds eines eine rotatorische Antriebsbewegung in eine lineare Verschiebebewegung umwandelnden Getriebes, z. B. eines Pleuelgetriebes.
Der gemessene Absolutwert ist über 360° eindeutig und muss nicht erst durch zusätzliche Maßnahmen interpretiert werden. So benötigt die erfindungsgemäße Messvorrichtung keinen zusätzlichen Hallsensor, um zu erkennen, ob die gemessene Position im Positionsbereich 0 bis 180° oder im Positionsbereich 180° bis 360° liegt. Auch ist keine Prüfung des Signums der gemessenen Position und einer anschließenden additiven Korrektur in einem bestimmten Vorzeichenbereich erforderlich.
Die Berechnung der abgeleiteten Messwertsignale, deren Quotienten und dessen Arcus Tangens erfolgt vorteilhaft in einem digitalen Signalprozessor. Eine analoge Berechnung ist ebenfalls möglich.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen magnetischen Messvorrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine magnetische Messvorrichtung zur Messung des Absolutwerts der Drehwinkelposition eines sich drehenden Teils mit Maßverkörperung, Sensoreinheiten und Signalprozessor,
2 eine graphische Darstellung zweier von insgesamt vier am Ausgang der Sensoreinheiten abgenommenen Messsignalen und zweier daraus berechneter Messwertsignale,
3 eine Ansicht der Maßverkörperung mit Sensoreinheiten in Richtung Pfeil III in 1,
4 bis 7 jeweils eines von möglichen Ausführungsbeispielen der Maßverkörperung und Anordnung der Sensoreinheiten in der Messvorrichtung gemäß 1,
8 eine Maßverkörperung und Sensoreinheiten einer magnetischen Messvorrichtung zur Messung des Absolutwerts der Verschiebeposition eines sich linear bewegenden Teils.
Die in 1 schematisch skizzierte Messvorrichtung weist eine bewegliche, hier rotatorische Maßverkörperung 11, die aus zwei fest miteinander verbundenen Maßkörpern 12, 13 besteht, und zwei relativ zur Maßverkörperung 11 feststehende, jeweils einem der Maßkörper 12, 13 zugeordnete Magnetfeldsensoreneinheiten auf, nachfolgend kurz Sensoreinheiten 14, 15 genannt. Jeder Maßkörper 12, 13 besitzt eine bestimmte Zahl von Magnetpolpaaren, wobei der Maßkörper 13 ein Magnetpolpaar weniger besitzt als der Maßkörper 12. Die Anzahl der Magnetpolpaare auf dem Maßkörper 12 ist durch die gewünschte Messwertauflösung bestimmt. Jedes Magnetpolpaar besteht aus zwei Magnetpolen mit einander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen bzw. abwechselnder Polarität, die in der Darstellung mit Nordpol N und Südpol S bezeichnet sind. Jede Sensoreinheit 14 bzw. 15 ist so ausgebildet, dass sie jeweils beim Vorbeibewegen eines Magnetpolpaars ein einer Sinusfunktion gehorchendes erste Messignal U_a1 und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes zweites Messsignal U_a2 erzeugt. Als Sensoreinheit 14 bzw. 15 können beispielsweise zwei Hallsensoren, deren Achsen um 90° elektrisch gegeneinander gedreht sind, verwendet werden.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 3 sind die Maßkörper 12, 13 als Polräder 16, 17 ausgeführt, an deren Umfang die ringsegmentförmigen Magnetpole N, S zu einem geschlossenen Ring zusammengesetzt sind. Das Polrad 16 ist mit insgesamt zwölf Magnetpolen N, S, also mit sechs Magnetpolpaaren, und das Polrad 17 mit insgesamt zehn Magnetpolen N, S, also mit fünf Magnetpolpaaren, besetzt. Die Magnetpole sind radial magnetisiert. Die beiden Sensoreinheiten 14, 15 sind radial zu den Polrädern 16, 17 angeordnet. Für eine räumliche Justierung der Messvorrichtung kann ihre Anordnung relativ zu den Polrädern 16, 17 so getroffen sein, dass in der Grundstellung der Maßverkörperung 11 die beiden Sensoren 14, 15 in gleicher Weise zu einem Magnetpolpaar des zugeordneten Polrads 16, 17 ausgerichtet sind, beispielsweise mittig zu einem Magnetpol N oder S, wie dies in 3 dargestellt ist. Vorzugsweise ist ihre Relativposition zu den Polrädern 16, 17 aber beliebig, da sich die Absolutposition der Polräder 16, 17 aus ihren elektrischen Signalen und damit ein Startpositions-Offset bestimmen lässt.
Von den beim Drehen der beiden fest miteinander verbundenen Polräder 16, 17 an den vier Ausgängen der Sensoreinheiten 14, 15 abnehmbaren vier Messsignalen U_a1 bis U_a4 sind die den Sinusfunktionen gehorchenden Messsignale U_a1 und U_a3 in Abhängigkeit vom Dreh- oder Positionswinkel α der Maßverkörperung 11, also der fest miteinander verbundenen beiden Polräder 16, 17 in 2 dargestellt. Auf die Darstellung der einer Kosinusfunktion gehorchenden beiden Messsignale U_a2 und U_a4 der beiden Sensoreinheiten 14, 15 ist der Übersichtlichkeit halber verzichtet worden. Die insgesamt vier Messsignale U_a1 bis U_a4 sind einem Signalprozessor 10 zugeführt, in dem eine Recheneinheit 18, z. B. ein Mikroprozessor, aus den Messsignalen U_a1 bis U_a4 ein einer Sinusfunktion gehorchendes, erstes abgeleitetes Messwertsignal U_a5 und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes, zweites abgeleitetes Messwertsignal U_a6 nach folgenden mathematischen Operationen berechnet: U_a5 = U_a1·U_a4 – U_a2·U_a3 (1) U_a6 = U_a2·U_a4 + U_a1· U_a3 (2).
Mit U_a1 = sin(6α) und U_a2 = cos(6α) für das Polrad 16 mit sechs Magnetpolpaaren und mit U_a3 = sin(5α) und U_a4 = cos(5α) für das Polrad 17 mit fünf Polpaaren ergibt sich aus Gl. (1) U_a5 = sin(6α)·cos(5α) – cos(6α)·sin(5α) = sin(6α – 5α) = sin(α) (3) und aus Gl. (2) U_a6 = cos(6α)·cos(5α) – sin(6α)·sin(5α) = cos(6α – 5α) = cos(α) (4), wobei die Amplituden der Messsignale U_a1 bis U_a4 auf „1” normiert sind.
Aus Gl. (3) und (4) ergibt sich α = arctan sinα / cosα (5).
Die beiden abgeleiteten Messwertsignale U_a5 und U_a6 sind als Funktion des räumlichen Dreh- oder Positionswinkels α der beiden starr miteinander verbundenen Polräder 16, 17 in 2 eingezeichnet.
Die von der Recheneinheit 18 berechneten Positionswinkels α sind Rohwerte, die prinzipbedingt fehlerbehaftet sind.
Prinzipbedingte Fehler sind ein fehlerhafter Polradmaßstab, nicht ideale Sinus- bzw. Kosinussignale am Ausgang der beiden Sensoren 14, 15 und sonstige systematische Abbildungsfehler. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, werden die von der Recheneinheit 18 angelieferten Rohwerte α einer Fehlerkorrektur unterzogen, indem jeder Rohwert α mit einem für ihn abgespeicherter Korrekturwert w(α) verrechnet, beispielsweise addiert, wird. Die Korrekturwerte w(α) werden vor der Inbetriebnahme der Messvorrichtung anhand einer idealen Referenzvorrichtung ermittelt, indem die Referenzvorrichtung mit der Messvorrichtung gekoppelt wird und die Korrekturwerte z. B. als Differenzwerte zwischen den von der Referenzvorrichtung gemessenen Sollwerten und den von der Messvorrichtung gemessenen Istwerten bestimmt werden. Die Korrekturwerte w(α) werden in einem remanenten Speicher 19 des Signalprozessors 10 tabellarisch abgelegt. Außerdem werden in dem remanenten Speicher 19 sog. Signalkonditionierungswerte, wie Signaloffsets, Signalverstärkungen und Positionsoffsets, abgespeichert, die zusätzlich bei der Fehlerkorrektur der Rohwerte α miteinbezogen werden.
Die Fehlerkorrektur kann bei einem leistungsfähigen Signalprozessor im Signalprozessor selbst durchgeführt werden. In diesem Fall werden die fehlerkorrigierten Werte α* des Positionswinkels über eine Hochgeschwindigkeitskommunikation im schnellen Zeitraster zu einem übergeordneten Verarbeitungssystem 23, z. B. einer Motorregelung oder einem Servo-Regler, übertragen. Dem Nachteil eines aufgrund seiner erforderlichen Rechenkapazität relativ teueren Signalprozessors steht der Vorteil einer einzigen Datenleitung zu dem Verarbeitungssystem 23 gegenüber.
Um den Signalprozessor 10 in der Messvorrichtung jedoch sehr kostengünstig zu halten, ist es von Vorteil, die Berechnung der Rohwerte α des Positionswinkels und deren Fehlerkorrektur in dem meist ohnehin vorhandenen, übergeordneten Verarbeitungssystem 23 durchzuführen. In diesem Fall umfasst der Signalprozessor 10 nur noch den remanenten Speicher 19, in dem die Fehlerkorrekturwerte w(α) und die Signalkonditionierungswerte abgespeichert sind. Die Recheneinheit 18 ist Teil des übergeordneten Verarbeitungssystems 23, so dass die analogen Messsignale U_a1 bis U_a4 direkt dem übergeordneten Verarbeitungssystem 23 zugeführt sind, in dem dann die mathematischen Operationen zur Bestimmung der Rohwerte α des Positionswinkels und die Fehlerkorrektur der Rohwerte w(α) wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden. Bei jeder neuerlichen Aktivierung der Messvorrichtung, was z. B. mit Einschalten einer Werkzeugmaschine, in der die Messvorrichtung eingesetzt ist, erfolgt, werden die Fehlerkorrekturwerte w(α) und die Signalkonditionierungswerte aus dem Speicher 19 einmal zu Beginn, ggf. auch mehrmals, an das übergeordnete Verarbeitungssystem 23 übertragen. Hier steht dem Vorteil eines preislich sehr günstigen Signalprozessors 10 der Nachteil einer größeren Anzahl von Datenleitungen von der Messvorrichtung zu dem übergeordneten Verarbeitungssystem 23 gegenüber.
Zu einem Kompromiss zwischen der Anzahl der Datenleitungen zu dem übergeordneten Verarbeitungssystem 23 und den Kosten für den Signalprozessor 10 in der Messvorrichtung gelangt man, wenn die Recheneinheit 18 in dem Signalprozessor 10 belassen und dem übergeordneten Verarbeitungssystem 23 zusätzlich die analogen Messsignale U_a1, U_a2 oder U_a3, U_a4 einer einzigen Sensoreinheit 14 bzw. 15 zugeführt werden. Die Recheneinheit 18 berechnet aus den vier Messsignalen U_a1 bis U_a4 nur einmal nach Aktivierung der Messvorrichtung die absolute Startposition der Maßverkörperung 11. Der Signalprozessor 10 überträgt diese Startposition zusammen mit dem Fehlerkorrektur- und Signalkonditionierungswerten an das übergeordnete Verarbeitungssystem 23. Danach ermittelt das Verarbeitungssystem 23 fortlaufend nur noch mit den Messsignalen U_a1 und U_a2 der einen Sensoreinheit 14 oder den Messsignalen U_a3 und U_a4 der anderen Sensoreinheit 15 und der absoluten Startposition der Maßverkörperung 11 die Rohwerte des absoluten Positionswinkels α und nimmt die Fehlerkorrektur vor.
In 4 bis 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Polräder 16, 17 und die Anordnung der Sensoreinheiten 14, 15 dargestellt. Bei der Maßverkörperung 11 in 4 und 5 sind wie in 1 und 3 die beiden fest miteinander verbundenen Polräder 16, 17 axial voneinander beabstandet und um eine gemeinsame Drehachse 20 drehbar. Das Polrad 16 ist wie in 1 und 3 mit zwölf Magnetpolen belegt und das Polrad 17 mit zehn Magnetpolen. Anders als in 1 und 3 sind hier die Magnetpole in Axialrichtung magnetisiert, wobei die Magnetisierungsrichtung aufeinanderfolgender Magnetpole um 180° gegeneinander gedreht ist. Die axiale Magnetisierungsrichtung ist in 4 und 5 durch die Anordnung der Magnetpolbezeichnungen NS bzw. SN charakterisiert. In 4 sind die beiden Sensoreinheiten 14, 15 in Achsrichtung ausgerichtet und jeweils in Zuordnung zu dem von den Magnetpolen gebildeten Ring auf den voneinander abgekehrten Seiten der Polräder 16, 17 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel der 5 sind die Sensoreinheiten 14, 15 auf den einander zugekehrten Seiten der Polräder 16, 17 angeordnet. Die übrige Ausbildung der Maßverkörperungen 11 ist identisch mit der in 4.
In 6 sind die starr miteinander gekoppelten, um eine gemeinsame Drehachse 20 drehbaren Polräder 16, 17 konzentrisch zueinander angeordnet. Die durch die Polaritätssymbole NS bzw. SN gekennzeichnete Magnetisierungsrichtung der Magnetpole ist wiederum radial und auch die Sensoreinheiten 14, 15 sind entsprechend radial zu den Polrädern 16, 17 angeordnet, wobei sie wiederum auf voneinander abgekehrten Seiten der Polräder 16, 17 platziert sind. Selbstverständlich können die Polräder 16, 17 vertauscht angeordnet werden, so dass das Polrad 16 das Polrad 17 konzentrisch umschließt.
Das Ausführungsbeispiel der 7 ist insoweit gegenüber dem in 6 modifiziert, als die Sensoreinheiten 14, 15 auf einander zugekehrten Seiten der Polräder 16, 17 angeordnet sind. Um hier Bauraum zur Unterbringung der Sensoreinheiten 14, 15 zu schaffen, ist das Polrad 16 mit einem wesentlich kleineren Durchmesser und entsprechend kürzerer Bogenlänge der einzelnen Magnetpole ausgeführt.
Die vorstehend beschriebene Messvorrichtung kann zur Messung von Drehbewegungen aller Art verwendet werden. So kann sie beispielhaft die absolute Drehwinkelposition von elektrischen Motoren, z. B. von Servomotoren, messen.
In 8 ist eine Maßverkörperung 11 dargestellt, die anstelle der Maßverkörperung 11 in der Messvorrichtung gemäß 1 eingesetzt werden kann. Mittels dieser Maßverkörperung 11 kann die Messvorrichtung die Absolutposition eines sich linear bewegenden Verschiebeglieds hochauflösend messen. Das Verschiebeglied kann dabei der Läufer eines z. B. als Servomotor ausgebildeten Linearmotors sein oder das Abtriebsglied eines Getriebes, das eine rotatorische Antriebsbewegung in eine lineare Bewegung umsetzt, z. B. ein Pleuelantrieb.
Die Maßverkörperung 11 ist wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispielen wieder aus zwei fest miteinander verbundenen Maßkörpern 12, 13 zusammengesetzt, die hier als Polstäbe 21, 22 ausgebildet sind. Auf beiden Polstäben 21, 22 ist jeweils eine Anzahl von Magnetpolen aneinandergereiht, wobei die Magnetisierungsrichtungen in aufeinanderfolgenden Magnetpolen gegeneinander um 180° gedreht sind, also die Polarität aufeinanderfolgender Magnetpole wechselt. Der Polstab 21 besitzt zwölf Magnetpole und der Polstab 22 zehn Magnetpole, hat also ein Magnetpolpaar weniger als der Polstab 21, so dass das gleiche Messprinzip wie vorstehend beschrieben zur Anwendung kommt. Jedem Polstab 21 bzw. 22 ist eine Sensoreinheit 14 bzw. 15 zugeordnet, die wiederum in der Magnetisierungsrichtung liegt. Die Anordnung der beiden Sensoreinheiten 14, 15 relativ zu dem jeweils zugeordneten Polstab 21, 22 ist, wie bei den Polrädern bereits ausgeführt, beliebig, kann aber so getroffen sein, dass in der Grundstellung der Maßverkörperung 11 die beiden Sensoreinheiten 14, 15 in gleicher Weise zu einem Magnetpolpaar des zugeordneten Polstabs 21, 22 ausgerichtet sind und damit die ersten Messsignale bzw. die zweiten Messsignale der beiden Sensoreinheiten 14, 15 zu Beginn der Verschiebebewegung einen gleichen, normierten Signalwert aufweisen. Die Sensoreinheiten 14, 15 sind hierzu auf einer rechtwinklig zu der Maßverkörperung 11 verlaufenden Fluchtlinie achssymmetrisch angeordnet. Die Länge der Polstäbe 21, 22 entspricht einem Winkel von 360°, sodass die beiden Polstäbe 21, 22 letztlich einer Abwicklung der Polräder 16, 17 in 1 entsprechen. Das Messprinzip ist daher das gleiche wie zu 1 beschrieben. Der absolute Verschiebeweg wird in Winkel- oder Längengraden α bzw. fehlerkorrigiert in α* ausgegeben.
Selbstverständlich kann die Zahl der Magnetpolpaare auf den beiden Maßkörpern 12, 13 anders als in den beschriebenen Ausführungsbeispielen gewählt werden, unabdingbar ist jedoch, dass die Anzahl der Magnetpolpaare auf dem einen Maßkörper um ”1” gegenüber der Anzahl der Magnetpolpaare auf dem anderen Maßkörpern differiert.

Claims

Messverfahren mit einer magnetischen Messvorrichtung, mit einer beweglichen Maßverkörperung (11) aus zwei fest miteinander verbundenen, magnetpolbestückten Maßkörpern (12, 13), von denen ein erster Maßkörper (12) eine für eine gewünschte Messwertauflösung erforderliche Anzahl von jeweils aus zwei Magnetpolen mit entgegengesetzter Polarität bestehenden Magnetpolpaaren und der zweite Maßkörper (13) eine um ein Magnetpolpaar kleinere Anzahl von jeweils aus zwei Magnetpolen entgegengesetzter Polarität bestehenden Magnetpolpaaren aufweist, und mit relativ zur Maßverkörperung (11) feststehenden, den Maßkörpern (12, 13) zugeordneten Sensoreinheiten, die jeweils beim Vorbeibewegen eines Magnetpolpaars ein einer Sinusfunktion gehorchendes erstes Messsignal (U_a1, U_a3) und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes zweites Messsignal (U_a2, U_a4) erzeugen, und mit einer Recheneinheit (18) zur Signalverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich zwei Sensoreinheiten (14, 15) vorgesehen sind, von denen eine (14) einem Maßkörper (12) und die andere (15) dem anderen Maßkörper (13) zugeordnet ist, und dass die Messsignale (U_a1 bis U_a4) der beiden Sensoreinheiten (14, 15) der Recheneinheit (18) zugeführt werden und die Recheneinheit (18) aus diesen Messsignalen (U_a1 bis U_a4) ein einer Sinusfunktion gehorchendes, erstes abgeleitetes Messwertsignal (U_a5) und ein einer Kosinusfunktion gehorchendes, zweites abgeleitetes Messwertsignal (U_a6) und aus dem Arcus Tangens (arc tan) des Quotienten der abgeleiteten Messwertsignale (U_a5, U_a6) den Positions-Absolutwert der 360°-Verschiebeposition eines sich linear verschiebenden Teils oder der 360°-Drehwinkelposition eines sich drehenden Teils, der jeweils mit der Maßverkörperung (11) versehen ist, berechnet.
Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (18) die Berechnung des ersten abgeleiteten Messwertsignals (U_a5) gemäß U_a5 = U_a1·U_a4 – U_a2·U_a3 und die Berechnung des zweiten abgeleiteten Messwertsignals (U_a6) gemäß U_a6 = U_a2·U_a4 + U_a1·U_a3 mit auf ”1” normierten Amplituden der Messsignale (U_a1 bis U_a4) durchführt.
Messverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Maßverkörperung (11) 360° betragt und die Recheneinheit (18) den absoluten Verschiebeweg der Maßverkörperung (11) in Winkel- oder Längengraden berechnet.
Messverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Recheneinheit (18) berechneten Rohwerte (α) des Verschiebewegs der Maßverkörperung (11) einer Fehlerkorrektur unterzogen werden, indem sie mit abgespeicherten Korrekturwerten (w(α)) verrechnet werden.
Messverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte (w(α)) mit einer Referenzvorrichtung ermittelt und als solche zwischen einem Soll- und Ist-Verschiebeweg der Maßverkörperung (11) bestimmt werden.
Messverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fehlerkorrektur abgespeicherte Signalkonditionierungswerte, wie Signaloffsets, Signalverstärkung und Positionsoffsets, miteinbezogen werden.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkorrekturwerte (w(α)) und die Signalkonditionierungswerte in einem digitalen Signalprozessor (10) abgespeichert sind.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (18) Teil des digitalen Signalprozessors (10) ist, der die Fehlerkorrektur durchführt und die fehlerkorrigierten Werte des Verschiebewegs der Maßverkörperung (11) einem übergeordneten Verarbeitungssystem (23) zuführt.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (18) Teil eines übergeordneten Verarbeitungssystems (23) ist und dass der Signalprozessor (10) die Fehlerkorrekturwerte (w(α)) und die Signalkonditionierungswerte zumindest einmal nach Aktivierung der Messvorrichtung an das Verarbeitungssystem (23) überträgt.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale (U_a1, U_a2 bzw. U_a3, U_a4) einer Sensoreinheit (14 bzw. 15) einem übergeordneten Verarbeitungssystem (23) zugeführt sind, dass die Recheneinheit (18) Teil des digitalen Signalprozessors (10) ist und nur aus den Messsignalen (U_a1 bis U_a4) die absolute Startposition der Maßverkörperung (11) berechnet, dass der Signalprozessor (10) zu Beginn eines jeden Messvorgangs die absolute Startposition zusammen mit den Fehlerkorrekturwerten (w(α)) und den Signalkonditionierungswerten an das Verarbeitungssystem (23) überträgt und dass das Verarbeitungssystem (23) aus den Messsignalen (U_a1, U_a2 bzw. U_a3, U_a4) der einen Sensoreinheit (14 bzw. 15) und der absoluten Startposition den absoluten Verschiebeweg der Maßverkörperung (11) berechnet und die Fehlerkorrektur durchführt.
Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßkörper (12, 13) als langgestreckte Polstäbe (21, 22) mit in Längsrichtung aneinandergereihten Magnetpolpaaren ausgebildet sind.
Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßkörper (12, 13) als fest miteinander verbundene, um eine gemeinsame Drehachse (20) drehbare Polräder (16, 17) mit in Umfangrichtung aneinanderliegenden Magnetpolpaaren ausgebildet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole in Radialrichtung magnetisiert sind und die Sensoren (14, 15) radial innerhalb und/oder außerhalb der von den Magnetpolen gebildeten Ringe angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole in Achsrichtung der Polräder (16, 17) magnetisiert sind und die Sensoren (14, 15) zwischen einander zugekehrten und/oder voneinander abgekehrten Seiten der von den Magnetpolen gebildeten Ringe angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polräder (16, 17) in Achsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polräder (16, 17) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polräder (16, 17) drehfest mit einer Welle verbunden sind.