DE102004033082A1 - Wirbelstromsensor zur inkrementellen Weg- oder Winkelmessung - Google Patents

Wirbelstromsensor zur inkrementellen Weg- oder Winkelmessung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, umfassend einen Sensor (1a, 1b, 1c) mit einer Spule (2) zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem leitfähigen Geber (6, 8), wobei sich der Sensor (1a, 1b, 1c) und der Geber (6, 8) relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung (C, D) bewegen können. Zur Bestimmung des elektrischen Winkels einer elektrischen Maschine wird ein Geber (6, 8) mit einer Spur vorgeschlagen, die derart gestaltet ist, dass bei Abtastung der Spur (5) mittels des Sensors (1a, 1b, 1c) ein impulsförmiges Signal (a, b, c) erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wirbelstromsensor, insbesondere zur inkrementellen Weg- oder Winkelmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Wirbelstromsensoren werden heute insbesondere als Näherungssensoren zur Abstandsmessung oder zur Positionsbestimmung beweglicher Teile eingesetzt. Bekannte Wirbelstromsensoren umfassen in der Regel einen Sensor mit einer Spule und einen leitfähigen Geber und arbeiten im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
    Die Spule wird mit einem hochfrequenten Strom betrieben und erzeugt in ihrer näheren Umgebung ein hochfrequentes magnetisches Feld, das im Geber Wirbelströme hervorruft. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spule entgegengesetztes magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und Geber, der Leitfähigkeit sowie der im Feldbereich befindlichen Geberfläche ist dieses Gegenfeld unterschiedlich groß. Die Spule zeigt somit je nach Abstand, Leitfähigkeit und Fläche eine unterschiedliche Ersatzinduktivität bzw. eine unterschiedliche komplexe Impedanz. Die Induktivität der Spule kann auf verschiedene Weise z.B. durch Messung der Resonanzfrequenz eines aus der Spule und einem Kondensator bestehenden LC-Schwingkreises ermittelt und daraus der Abstand bestimmt werden.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Wirbelstromsensoren dienen üblicherweise zur Abstandsmessung oder Positionsbestimmung. Wirbelstromsensoren, die zur Weg- oder zur Winkelmessung eingesetzt werden können, sind aus dem Stand der Technik dagegen nicht bekannt.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelstromsensor zur Weg- oder Winkelmessung zu schaffen. Dieser sollte möglichst einfach aufgebaut, störfest und temperaturunempfindlich sein.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Wirbelstromsensoranordnung zu schaffen deren Geber eine Spur aufweist, die vom Sensor in Längs- bzw. Bewegungsrichtung abgetastet wird und die derart gestaltet ist, dass bei der Abtastung ein impulsförmiges Signal erzeugt wird.
  • Die Spur hat zu diesem Zweck periodische Abschnitte (Inkremente), wie z.B. Zähne und Lücken, die die impulsförmige Impedanzänderung der Sensorspule bewirken und somit das Impulsförmige Sensorsignal verursachen. Dabei wird unter der Bezeichnung "Zahn" jede Struktur verstanden, die im Sensor einen ersten Signalpegel (z.B. "high") und unter der Bezeichnung "Lücke" eine Struktur verstanden, die einen zweiten Signalpegel (z.B. "low") erzeugt. Das Sensorsignal ist somit ein impulsförmiges Signal mit im wesentlichen zwei Zuständen (low, high). Im Bereich eines Inkrements ist das Sensorsignal vorzugsweise konstant.
  • Die Strukturen „Zahn" und „Lücke" können auf verschiedenste Art und Weise realisiert werden:
    Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Zähne als Vorsprünge, die in Richtung des Sensors vorstehen, und die Lücken als zurückspringende Abschnitte realisiert.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die abgetastete Spur abwechselnd mehrere Abschnitte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Zähne) und mehrere Abschnitte mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (Lücken). Die Zähne können in diesem Fall beispielsweise als metallische Folie und die Lücken aus einem gering oder nicht-leitenden Material gebildet sein.
  • Wahlweise kann auch eine periodisch alternierende Dotierung in der Spur vorgesehen sein, wobei Bereiche mit hoher Dotierung z.B. als Zähne und Bereiche mit niedriger Dotierung als Lücken wirken können.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Geber eine gelochte Spur, bei der sich gelochte (Lücken) und nicht-gelochte Abschnitte (Zähne) abwechseln. Der Geber kann z.B. als Lochscheibe realisiert sein.
  • Unabhängig von der Gestaltung der Zähne und Lücken ist die Spur vorzugsweise derart gestaltet, dass der Signalübergang zwischen dem ersten Pegel (z.B. low) und dem zweiten Pegel (z.B. high) möglichst linear ist. Dadurch kann auch der Schaltzeitpunkt, an dem sich der Signalzustand eines aus dem Sensorsignal abgeleiteten Signals (z.B. ein Komparatorausgangssignal) ändert, linear eingestellt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Geber von mehreren Sensoren abgetastet. Durch Abtastung der Spur mit mehreren in Bewegungsrichtung versetzt angeordneten Sensoren kann die Auflösung wesentlich erhöht werden.
  • Die Sensoren sind vorzugsweise um 360°/n (oder ein Vielfaches davon) bezüglich einer Periode in Bewegungsrichtung versetzt angeordnet, wobei n die Anzahl der Sensoren ist. Drei Sensoren sind somit z.B. um 120° versetzt angeordnet. D.h. es tritt alle 60° eine Schaltflanke auf.
  • Bei Betrieb des Wirbelstromsensors bewegen sich Spule und Geber vorzugsweise in etwa gleichbleibendem Abstand relativ zueinander in Bewegungsrichtung. Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswertung der Spuleninduktivität bzw. Spulenimpedanz der Abstand zwischen Spule und Geber nicht berücksichtigt werden muss und somit die Auswertung einfacher ist.
  • Die Spur ist vorzugsweise an einem Geberrad angeordnet, das an einer Welle befestigt ist. Die inkrementelle Spur kann dabei an einer Seitenfläche oder an der Umfangsfläche vorgesehen sein.
  • Die Wirbelstromsensoranordnung umfasst eine Auswerteeinheit, die z.B. die Resonanzfrequenz eines aus der Sensorspule und einem Kondensator bestehenden LC-Schwingkreises auswertet und daraus die gesuchte Messgröße (Weg oder Winkel) bestimmt. Bei dem Kondensator kann es sich auch um die parasitäre Kapazität der Spule handeln.
  • Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise eine Verstärkerschaltung, die den LC-Schwingkreis in der Resonanzfrequenz anregt. LC-Schwingkreis und Verstärkerschaltung sind vorzugsweise in Mitkopplung verschaltet. Dies hat den Vorteil, dass der LC-Schwingkreis allein durch Verstärken des vorhandenen Rauschens angeregt werden kann und kein separater Oszillator zu diesem Zweck erforderlich ist.
  • Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise einen Frequenz-Spannungs-Wandler, wie z.B. einen Phasenregelkreis (PLL). Der f/U-Wandler wandelt vorzugsweise das von der Verstärkerschaltung ausgegebene Signal und demoduliert dieses.
  • Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise auch einen Komparator, dem das demodulierte Signal zugeführt wird. Am Ausgang des Komparators wird schließlich ein impulsförmiges Schaltsignal bereitgestellt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Wirbelstromsensoranordnung mit mehreren Sensoren und einem Geber in Abwicklungsansicht;
  • 2 eine Messanordnung zur Winkelmessung mit einem Geberrad gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 ein Geberrad gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 ein Geberrad gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 ein Geberrad gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 eine Wirbelstromsensoranordnung mit einer Auswerteschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • 7 den Verlauf der Sensorsignale der Sensoren von 2.
  • 1 zeigt eine Wirbelstromsensoranordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und einem Geber 6. Der Geber 6 umfasst eine Spur 5, die von den Sensoren 1a, 1b, 1c abgetastet wird. Hierzu sind die Sensoren 1a, 1b, 1c und der Geber 6 relativ zueinander in Längs- bzw. Bewegungsrichtung C des Gebers 6 beweglich.
  • Die Spur 5 umfasst mehrere Zähne 3 und Lücken 4, die periodisch alternierend angeordnet sind und die von den Sensoren 1a, 1b, 1c erkannt werden. Dabei arbeitet die Sensoranordnung 1,4 im wesentlichen nach folgendem Prinzip.
  • Jeder der Sensoren 1a, 1b, 1c umfasst eine Spule 2, die von einem transienten oder wechselförmigen HF-Strom durchflossen wird, dessen Frequenz z.B. in einem Bereich zwischen 500kHz und l0MHz liegt. Dadurch wird in der näheren Umgebung der Spulen jeweils ein ebenso hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt, das wiederum in der leitfähigen Spur 5 des Gebers 6 Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spulen 2 entgegengesetztes Magnetfeld.
  • Je nach relativer Position des Gebers 6 bezüglich der Sensoren 1a, 1b, 1c sind die induzierten Wirbelströme und somit auch das Gegenfeld unterschiedlich groß. Liegt einem der Sensoren, z.B. 1a, ein Zahn 3 gegenüber, so ist das induzierte Gegenfeld relativ groß. Liegt dem Sensor 1a dagegen eine Lücke 4 gegenüber, so ist das Gegenfeld wesentlich kleiner.
  • Durch das entgegengesetzte Magnetfeld verändert sich die Ersatzinduktivität bzw. komplexe Impedanz der Spulen 2 bezüglich ihrer Anschlussklemmen. Steht einer Spule 2 z.B. ein Zahn 3 gegenüber, so hat diese Spule 2 eine kleine Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig kleine komplexe Impedanz. Steht der Spule 2 hingegen eine Lücke 4 gegenüber, so weist diese Spule 2 eine große Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig große komplexe Impedanz auf. Die Induktivitätsänderung kann durch eine geeignete Auswerteschaltung 7 (siehe 2) erfasst werden.
  • Die Sensorspulen 2 können z.B. als flache Spulen in Form einer gedruckten Schaltung oder auch als flache gewickelte Spulen ausgeführt sein. Als Trägermaterial kann beispielsweise eine Polyimidfolie oder ein Keramiksubstrat eingesetzt werden. Hierdurch wird eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht. Zum Schutz gegen aggressive Medien können die Spulen 2 auch von temperaturbeständigen Werkstoffen, wie z.B. Silicon oder Polyphenylensulfid (z.B. Tedur) umgeben werden.
  • 7 zeigt den Verlauf der Ersatzinduktivitäten der Spulen 2 (bzw. eines entsprechenden Signals) bei Abtastung der leitfähigen Spur 5. Dabei bezeichnet a den Verlauf der Ersatzinduktivität des ersten Sensors 1a, b den Verlauf der Ersatzinduktivität des zweiten Sensors 1b und c den Verlauf der Ersatzinduktivität des dritten Sensors 1c. Wegen der periodisch abwechselnden Anordnung von Zähnen 3 und Lücken 4 ergibt sich ein impulsförmiges Sensorsignal mit zwei Zuständen (high, low).
  • Die Signale a, b, c sind um 120° phasenverschoben, da die Sensoren 1a, 1b, 1c um einen Abstand von jeweils 120° (eine Periode entspricht 360°) bezüglich einer Periode in Längsrichtung C bzw. Umfangsrichtung D versetzt zueinander angeordnet sind.
  • Ein Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c hat den Vorteil, dass die Auflösung im Vergleich zu einer Anordnung mit nur einem Sensor wesentlich erhöht werden kann. Bei einer Anordnung mit drei Sensoren erhält man alle 60° eine Schaltflanke, d.h. eine Auflösung von 60°. Mit mehr als drei Sensoren kann die Auflösung entsprechend erhöht werden.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht einer Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und einem Inkremental-Geberrad 8. Das Geberrad 8 ist an einer Welle befestigt und rotiert in Umfangsrichtung D. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Geberrad 8 eine umfangsseitige Spur 5 mit mehreren Zähnen 3 und Lücken 4. Die von den Sensoren 1a, 1b, 1c aufgenommenen Signale werden einer Auswerteschaltung 7 zugeführt, die beispielsweise als Elektronikschaltung (Hardware) oder als Mikrocontroller mit einer entsprechenden Software realisiert sein kann.
  • Bei Verwendung dieser Anordnung zur Rotorlagebestimmung in einer elektrischen Maschine, z.B. in einem Fahrzeug zur Bestimmung des elektrischen Winkels des Fahrzeuggenerators, ist die Anzahl der Perioden derart gewählt, dass sie mit der Polpaarzahl p der elektrischen Maschine übereinstimmt. Eine Periode entspricht in diesem Fall einem elektrischen Winkel von 360°. Durch Auswertung der Ersatzinduktivität bzw. Impedanzänderung der Spulen 2, 3 des Sensors 1 kann der elektrische Winkel zu jeder Zeit mit der vorgegebenen Auflösung bestimmt werden. Der elektrische Winkel wird insbesondere zur sogenannten feldorientierten Regelung benötigt, bei der die Drehströme im R-S-T-System in ein dq-System (karthesisches Koordinatensystem) und zurück transformiert werden. Der elektrische Winkel des Generators wird daher auch als "Transformationswinkel" oder Polradwinkel bezeichnet. Der elektrische Winkel ist dabei gleich dem tatsächlichen mechanischen Winkel des Rotors multipliziert mit der Polpaarzahl p der Maschine. Eine Maschine mit der Polpaarzahl p hat also p Perioden (jeweils vor. 0 bis 350°) des elektrischen Winkels pro mechanischer Umdrehung. Für die Regelung ist es in der Regel unerheblich, in welcher der Perioden sich der Rotor gerade befindet. Wichtig ist, wo sich der Rotor innerhalb einer solchen Periode befindet. Dies kann mittels der hier dargestellten Messanordnung mit einer Auflösung von 60° genau bestimmt werden.
  • 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Geberrades 8 mit einer umfangsseitig angeordneten Spur 5. Die Zähne 3 der Spur 5 sind dabei als Abschnitte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und die Lücken als Bereiche mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Die Zähne können beispielsweise aus einer metallischen Folie hergestellt sein, die auf einem nicht-leitfähigen Geberrad aufgebracht ist. Die Lücken der Spur zeichnen sich in diesem Fall durch das Fehlen der metallischen Folie aus. Die Folie kann beispielsweise eine Aluminium- oder Kupferfolie sein.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Geberrad 8 in Form einer Lochscheibe realisiert ist, die in ihrer Seitenfläche eine Spur mit gelochten 4 und nicht-gelochten Abschnitten 3 umfasst. Die gelochten Abschnitte 4 wirken in diesem Fall als Lücken und die nichtgelochten Abschnitte 3 als Zähne. Die Löcher sind bei dieser Ausführungsform rechteckförmig gebildet.
  • 5 zeigt ebenfalls eine Lochscheibe als Geberrad 8, deren Löcher jedoch trapezförmig gestaltet sind. Die Form der Löcher 4 ist derart gestaltet, dass der Übergang zwischen einem Loch 4 und einem Zahn (bzw. umgekehrt) ein Sensorsignal mit einer möglichst linearen Schaltflanke erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich, den Schaltwinkel des Sensorausgangssignals linear zu verstellen.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform einer Auswerteschaltung 7 zur Bestimmung eines elektrischen Winkels. Diese umfasst einen LC-Schwingkreis, umfassend eine Spule 2 und einen Kondensator 10. Bei dem Kondensator 10 kann es sich auch um die parasitäre Kapazität der Spule 2 handeln. Wie erwähnt, ändert sich die Impedanz der Spule 2 bezüglich ihrer Anschlüsse, je nachdem, ob der Spule 2 gerade ein Zahn 3 oder eine Lücke 4 gegenüberliegt. Dadurch verändert sich auch die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises. Die relative Position des Geberrades 8 kann also durch Auswertung der Resonanzfrequenz bestimmt werden.
  • Die Auswerteschaltung 7 umfasst eine Verstärkerschaltung 11, die das am Schwingkreis anliegende Spannungssignal verstärkt und den LC-Schwingkreis in der Resonanzfrequenz anregt (Signal s1). LC-Schwingkreis 2, 10 und Verstärkerschaltung 11 sind dabei in Mitkopplung verschaltet. Bei dieser Schaltung ist es nicht erforderlich, einen externen Oszillator zur Anregung des LC-Schwingkreises vorzusehen, da es ausreichend ist, wenn die Verstärkerschaltung 11 das vorhandene Rauschen verstärkt.
  • Die Auswerteschaltung 7 umfasst ferner einen Phasenregelkreis 12 (PLL), der das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung demoduliert und ein frequenzabhängiges Signal s2 ausgibt.
  • Die Auswerteschaltung 7 umfasst außerdem einen Komparator 14, dem das demodulierte Signal s2 bzw. ein daraus abgeleitetes Signal s3 zugeführt wird. Am Ausgang des Komparators wird schließlich das impulsförmige Schaltsignal s4 ausgegeben, wie es in 7 dargestellt ist.
  • Ferner kann eine Einrichtung zum Offset-Abgleich 13 vorgesehen sein, mit der Signalverschiebungen im Ausgangssignal der PLL 12 aufgrund von Bauteile- oder Fertigungstoleranzen oder auch Temperaturdriften abgeglichen werden können.
  • Die Auswerteschaltung 7 kann bei Umgebungstemperaturen von weniger als 200°C direkt an den Sensorspulen 2 platziert werden. Für Hochtemperaturanwendungen sollten die Spulen über temperaturbeständige geschirmte Leitungen mit der Auswerteschaltung 7 verbunden sein.
  • Die erfindungsgemäß Sensoranordnung hat außerdem den Vorteil, dass der elektrische Winkel bzw. Transformationswinkel sofort nach dem Einschalten ermittelt werden kann. Eine Initialisierung ist nicht erforderlich. Darüber hinaus ist das beschriebene Messprinzip relativ unempfindlich gegen statische oder dynamische magnetische Störfelder und sehr temperaturbeständig.
  • 1a, 1b, 1c
    Sensoren
    2
    Spulen
    3
    Zähne
    4
    Lücken
    5
    Spur
    6
    Geber
    7
    Auswerteschaltung
    8
    Geberrad
    10
    Kondensator
    11
    Verstärker
    12
    Phasenregelkreis
    13
    Subtrahier
    14
    Komparator
    s1
    impulsförmiges Signal
    s2
    demoduliertes Signal
    s3
    Offset-korrigiertes Signal
    s4
    Schaltsignal

Claims (10)

  1. Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, umfassend – einen Sensor (1a, b, c) mit einer Spule (2) zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem leitfähigen Geber (6, 8), und – den Geber (6), wobei sich der Sensor (1) und der Geber (6, 8) relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung (C, D) bewegen können, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (6, 8) eine Spur (5) aufweist, die vom Sensor (1a, 1b, 1c) abgetastet wird und die derart gestaltet ist, dass bei der Abtastung ein impulsförmiges Signal (a, b, c) erzeugt wird.
  2. Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur (5) periodisch ist und mehrere Zähne (3) und Lücken (4) aufweist.
  3. Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur derart gebildet ist, dass das Sensorsignal (a, b, c) ein Signal mit zwei Zuständen ist.
  4. Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur (5) derart gebildet ist, dass ein Signalübergang zwischen den beiden Zuständen eines Signals (S3), aus dem das Sensorsignal (a, b, c) erzeugt wird, im wesentlichen linear ist.
  5. Wirbelstromsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Bewegungsrichtung (C) versetzt angeordnete Sensoren (1a, 1b, 1c) vorgesehen sind.
  6. Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl von n Sensoren (1a, 1b, 1c) die Sensoren (1a, 1b, 1c) um 360°/n in Bewegungsrichtung (C) versetzt angeordnet sind.
  7. Wirbelstromsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur (5) an einem Geberrad (8) vorgesehen ist.
  8. Wirbelstromsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz eines aus der Spule (2) und einer Kapazität (10) gebildeten LC-Schwingkreises ausgewertet wird.
  9. Wirbelstromsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (7) vorgesehen ist, die einen Phasenregelkreis (12) umfasst.
  10. Wirbelstromsensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mittels des Phasenregelkreises (12) demodulierte Signal (s3) einem Komparator (14) zugeführt wird, an dessen Ausgang die Sensorsignale (a, b, c) ausgegeben werden.
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