DE102006046531A1

DE102006046531A1 - Drehgeber und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102006046531A1
Application number: DE102006046531A
Authority: DE
Inventors: Marc Oliver Dipl.-Ing. Tiemann
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03
Also published as: CN101153792A; EP1906153A3; CN101153792B; ATE443847T1; JP2008089591A; US20080079422A1; EP1906153A2; EP1906153B1; JP5079437B2; DE502007001569D1; US7719264B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber, der unter anderem eine Welle (1.1), und einen Trägerkörper (2.2), an dem eine Erregerwindung (2.21) und eine Detektoranordnung (2.22) angeordnet sind, umfasst. Durch die Erregerwindung (2.21) ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ein Erregerstrom (II, III) leitbar und die Detektoranordnung (2.22) ist zur Abtastung des durch einen Codeträger (1.2) beeinflussten elektromagnetischen Feldes geeignet. Ferner umfasst der Drehgeber ein Erregerkontrollelement (2.23) und ein Auswerteelement (2.23). An der Welle (1.1) ist zur Erfassung ihrer Winkellage der Codeträger (1.2) drehfest festgelegt. Das Erregerkontrollelement (2.23) ist derart ausgestaltet, dass durch dieses die Erregerwindung (2.21) selektiv in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, in einer Weise, dass im ersten Betriebsmoduweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom (III) erzeugbar ist, wobei der zweite Erregerstrom (III) derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Drehgebers im zweiten Betriebmodus kleiner ist als im ersten Betriebsmodus. Der jeweilige Erregerstrom (II, III) induziert in der Detektoranordnung (2.22) Spannungen (UI, UII), die zur Erzeugung von Winkellageinformationen vom Auswerteelement (2.23) elektronisch verarbeitbar sind. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Drehgebers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber zur Bestimmung von Relativwinkelpositionen, welcher nach einem induktiven Messprinzip arbeitet, gemäß dem Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines derartigen Drehgebers gemäß dem Anspruch 11.
Induktive Drehgeber werden beispielsweise zur Bestimmung der Winkellage zweier relativ zueinander drehbaren Maschinenteile verwendet. Bei induktiven Drehgebern werden Erregerwindungen und Empfängerspulen etwa in Form von Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht, die beispielsweise mit einem Stator eines Drehgebers fest verbunden ist. Dieser Leiterplatte gegenüber befindet sich eine weitere Platine, die nicht selten als Codescheibe ausgebildet ist, auf der in periodischen Abständen alternierend elektrisch leitfähige und nichtleitfähige Flächen als Teilungsbereich bzw. Teilungsstruktur aufgebracht sind, und welche mit dem Rotor des Drehgebers drehfest verbunden ist. Wenn an den Erregerwindungen durch einprägen eines Erregerstroms ein zeitlich wechselndes elektrisches Erregerfeld angelegt wird, werden in den Empfängerspulen während der Relativdrehung zwischen Rotor und Stator von der Winkellage abhängige Signale erzeugt. Diese Signale werden dann in einer Auswerteelektronik weiterverarbeitet.
Häufig werden solche Drehgeber als Messgeräte für elektrische Antriebe, zur Bestimmung der absoluten Winkellage von entsprechenden Antriebswellen, eingesetzt. Dabei ist es insbesondere unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten wichtig, dass auch nach einem Ausschalten des Systems oder bei einem Stromausfall zumindest die in diesem Zustand erfolgten Umdrehungen gezählt werden.
In der DE 197 51 853 A1 der Anmelderin wird ein Aufbau für einen induktiven Drehgeber beschrieben, bei dem die Erreger- und Empfängerspulen in einer mehrschichtigen Leiterplatten-Struktur angeordnet sind.
Damit ein derartiger Drehgeber auch während fehlender Netzspannungsversorgung zumindest die Anzahl und Drehrichtung der zurückgelegten Umdrehungen zählen kann, wurden bisher weiterhin am Rotor entsprechende Magnete und an einer Statorleiterplatte zwei Magnetsensoren vorgesehen, welche Zählsignale erzeugen. Die Magnetsensoren wurden in diesem Betriebszustand von einer Pufferbatterie versorgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Drehgeber zu schaffen, welcher einfach aufgebaut ist und durch den selbst bei reduzierter Zufuhr von elektrischer Energie Positionssignale erzeugbar sind. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das den Einsatz eines einfach aufgebauten Drehgebers ermöglicht, welcher selbst bei reduzierter Zufuhr von elektrischer Energie Positionssignale erzeugt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 11 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst der Drehgeber unter anderem eine Welle und einen Trägerkörper, an dem eine Erregerwindung und eine Detektoranordnung angeordnet sind. Durch die Erregerwindung ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ein Erregerstrom leitbar und die Detektoranordnung ist zur Abtastung des durch einen Codeträger beeinflussten elektro magnetischen Feldes geeignet. Ferner umfasst der Drehgeber ein Erregerkontrollelement und ein Auswerteelement. Die Welle ist relativ zum Trägerkörper drehbar, wobei an der Welle zur Erfassung ihrer Winkellage der Codeträger drehfest festgelegt ist. Das Erregerkontrollelement ist derart ausgestaltet, dass durch dieses die Erregerwindung selektiv in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist und zwar in einer Weise, dass im ersten Betriebsmodus ein erster Erregerstrom und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom erzeugbar ist, wobei der zweite Erregerstrom derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus kleiner ist als im ersten Betriebsmodus. Der jeweilige Erregerstrom induziert in der Detektoranordnung Spannungen die zur Erzeugung von Winkellageinformationen vom Auswerteelement elektronisch verarbeitbar sind.
Das Erregerkontrollelement ist insbesondere derart ausgestaltet, dass im ersten Betriebsmodus ein erster Erregerstrom und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom erzeugbar ist, wobei der Effektivwert des zweiten Erregerstroms kleiner ist als der des ersten Erregerstroms. Als Effektivwert des jeweiligen Erregerstromes ist derjenige Wert zu verstehen, durch den in der selben Erregerwindung die gleiche Energie dissipiert wird, wie ein gleich großer Gleichstrom in gleicher Zeit, wobei die Zeit selbstredend eine gewisse Mindestdauer überschreiten muss, beispielsweise eine Sekunde. Der Drehgeber kann im zweiten Betriebsmodus mit weniger elektrische Energie betrieben werden als im ersten Betriebsmodus.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die im zweiten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation eine grobere Auflösung auf als die im ersten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation. Das heißt, dass die Genauigkeit der Erfassung der Winkellage im zweiten Betriebsmodus gegenüber derjenigen im ersten Betriebsmodus reduziert ist.
Mit Vorteil umfasst die Detektoranordnung eine erste Detektorwindung und eine zweite Detektorwindung, wobei die erste Detektorwindung innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper eine gegenüber der zweiten Detektorwindung unterschiedliche Anzahl von Signalperioden liefert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die erste Detektorwindung eine ungeradzahlige Anzahl von Signalperioden liefert, insbesondere wenn die erste Detektorwindung nur eine Signalperiode während einer Umdrehung liefert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Detektorwindung innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper eine kleinere Anzahl von Signalperioden liefert als die zweite Detektorwindung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehgeber so konfiguriert, dass zur Erzeugung von Winkellageinformationen im zweiten Betriebsmodus nur die in der ersten Detektorwindung induzierte Spannung detektierbar ist, während im ersten Betriebsmodus ergänzend dazu auch die induzierten Spannungen der zweiten Detektorwindung jeweils vom Auswerteelement elektronisch verarbeitbar sind. Demnach werden vom Auswerteelement zur Erzeugung von Winkellageinformationen im zweiten Betriebsmodus die in der ersten Detektorwindung induzierte Spannung elektronisch verarbeitet und gleichzeitig die in der zweiten Detektorwindung induzierte Spannung für die elektronischen Verarbeitung unberücksichtigt gelassen, das heißt, dass dann die in der zweiten Detektorwindung induzierte Spannung von der elektronischen Verarbeitung weggeschalten bzw. davon getrennt ist. Somit ist die zweite Detektorwindung im zweiten Betriebsmodus ohne Funktion für die Erzeugung von Winkellageinformationen. Im ersten Betriebsmodus werden dagegen sowohl die in der ersten Detektorwindung als auch die in der zweiten Detektorwindung induzierten Spannungen für die Erzeugung von Winkellageinformationen elektronisch verarbeitet.
Mit Vorteil können das Erregerkontrollelement und das Auswerteelement in einem ASIC-Baustein integriert sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Erregerkontrollelement derart ausgestaltet sein, dass der zweite Erregerstrom als ein gepulster Strom erzeugbar ist. Insbesondere kann der zweite Erregerstrom Strompausen aufweisen. Unter Strompausen sind Zeitbereiche zu verstehen, in denen der Erregerstrom praktisch auf Null zurückgeht.
Der Drehgeber selbst kann eine Batterie aufweisen zur Stromversorgung des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Drehgebers mit den Schritten: Selektieren eines ersten oder zweiten Betriebsmodus; Erzeugen eines Erregerstroms in der Erregerwindung mit Hilfe des Erregerkontrollelements, wobei im ersten Betriebsmodus ein erster Erregerstrom und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom erzeugt werden, wobei der zweite Erregerstrom derart ausgestaltet wird, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus kleiner ist als im ersten Betriebsmodus; Detektieren der durch den jeweiligen Erregerstrom in der Detektoranordnung induzierten Spannung; elektronische Verarbeitung der induzierten Spannung zur Erzeugung von Winkellageinformationen.
Insbesondere werden die Erregerströme in der Weise erzeugt, dass der Effektivwert des zweiten Erregerstroms kleiner ist als der des ersten Erregerstroms,.
Mit Vorteil wird dabei der erste oder der zweite Betriebsmodus in Abhängigkeit von der am Drehgeber anliegenden Spannung selektiert. Als Kriterien können hierzu etwa die Höhe des tatsächlich anliegenden Spannungspegels herangezogen werden, oder beispielsweise der jeweils vorliegende Spannungsverlauf (Gleichspannung-Wechselspannung).
Der Erregerstrom im zweiten Betriebsmodus ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass der zeitliche Abstand zwischen benachbarten Strommaxima mindestens 100-mal, mit Vorteil mindestens 1000-mal oder mindestens 2500-mal größer ist als der zeitliche Abstand benachbarter Strommaxima im ersten Betriebsmodus. Der Erregerstrom erreicht ein Strommaximum, wenn dieser seine Maximalamplitude aufweist. Der Begriff Strommaximum kann betragsmäßig zu verstehen sein, so dass in diesem Fall ein Strommaximum auch bei einem betragsmäßig maximalen negativen Strom vorliegt. Sofern der Erregerstrom kein ausgeprägtes singuläres Maximum aufweist, z. B. wenn Rechteckimpulse vorliegen bei denen das Strommaximum über eine gewisse Zeit konstant bleibt, so ist für die oben genannten zeitlichen Abstände der zeitliche Mitte des Strommaximums zu verstehen, z. B. der Zeitpunkt, welcher zwischen den Flanken eines Rechteckpulse liegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Detektoranordnung eine erste Detektorwindung und eine zweite Detektorwindung, wobei die erste Detektorwindung innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper eine gegenüber der zweiten Detektorwindung unterschiedliche Anzahl von Signalperioden liefert, und im zweiten Betriebsmodus nur die in der ersten Detektorwindung induzierte Spannung detektiert und zur Erzeugung von Winkellageinformationen verarbeitet wird. Weiterhin kann dann im ersten Betriebsmodus auch die in der zweiten Detektorwindung induzierte Spannung detektiert und zur Erzeugung von Winkellageinformationen verarbeitet werden.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen induktiven Drehgebers, sowie des Verfahrens zu dessen Betrieb ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
Es zeigen die
1 eine Draufsicht auf eine Codescheibe,
2 eine Draufsicht auf eine Abtastleiterplatte,
3a einen Signalverlauf des Erregerstroms in den Erregerwindungen in einem ersten Betriebsmodus,
3b einen Signalverlauf der induzierten Spannung in Detektorwindungen im ersten Betriebsmodus,
4a einen Signalverlauf des Erregerstroms in den Erregerwindungen in einem zweiten Betriebsmodus,
4b einen Signalverlauf der induzierten Spannung in einer Detektorwindung im zweiten Betriebsmodus (0° Phase)
4c einen Signalverlauf der induzierten Spannung in einer Detektorwindung im zweiten Betriebsmodus (90° Phase)
5 ein schematisches Schaltbild,
6 eine Schnittdarstellung eines Drehgebers.
In den 1, 2 und 6 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehgebers gezeigt. Gemäß der 6 weist der Drehgeber einen Rotor 1 und einen Stator 2 auf. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Rotor 1 eine Welle 1.1, welche beispielsweise an einer zu messenden Motorwelle drehfest montiert werden kann. An einem Absatz der Welle 1.1 ist zur Erfassung ihrer Winkellage der Codeträger in Form einer Codescheibe 1.2 mit – in der 6 nicht dargestellten – Teilungsspuren 1.21, 1.22 drehfest festgelegt.
Der Stator 2 umfasst ein Gehäuse 2.1, an dem als Trägerkörper eine ringförmige Abtastleiterplatte 2.2 befestigt ist. Unter anderem ist auf der Abtastleiterplatte 2.2 ein Steckverbinder 2.3 montiert, durch welchen Signale und elektrische Leistung übertragen werden können. Der Rotor 1 und der Stator 2, bzw. die Welle 1.1 und das Gehäuse 2.1 sind um ein Drehachse R relativ zueinander drehbar.
In der 1 ist die Codescheibe 1.2 in einer Draufsicht gezeigt. Die Codescheibe 1.2 besteht aus einem Substrat, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Epoxydharz hergestellt ist und auf dem zwei Teilungsspuren 1.21, 1.22 angeordnet sind. Die Teilungsspuren 1.21, 1.22 sind ringförmig ausgebildet und bezüglich der Drehachse R konzentrisch mit unterschiedlichem Durchmesser auf dem Substrat angeordnet. Die beiden Teilungsspuren 1.21, 1.22 bestehen jeweils aus einer periodischen Abfolge von alternierend angeordneten elektrisch leitfähigen Teilungsbereichen 1.211, 1.221 und nichtleitfähigen Teilungsbereichen 1.212, 1.222. Als Material für die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 1.211, 1.221 wurde im gezeigten Beispiel Kupfer auf das Substrat aufgebracht. In den nichtleitfähigen Teilungsbereichen 1.212, 1.222 wurde das Substrat 2.3 dagegen nicht beschichtet.
Die innere Teilungsspur 1.21 besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem ersten halbringförmigen Teilungsbereich 1.211 mit elektrisch leitfähigem Material, hier Kupfer, sowie einem zweiten halbringförmigen Teilungsbereich 1.212, in dem kein leitfähiges Material angeordnet ist.
Radial benachbart zur ersten Teilungsspur 1.21 liegt die zweite Teilungsspur 1.22 auf dem Substrat, wobei auch die Teilungsspur 1.22 aus einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Teilungsbereiche 1.221 sowie dazwischen angeordneten nichtleitfähigen Teilungsbereichen 1.222 besteht. Die verschiedenen Teilungsbereiche 1.221, 1.222 sind materialmäßig dabei ebenso ausgebildet wie die Teilungsbereiche 1.211, 1.212 der ersten Teilungsspur 1.21. Insgesamt umfasst die zweite Teilungsspur 1.22 im dargestellten Ausführungsbeispiel sechzehn periodisch angeordnete, elektrisch leitfähige Teilungsbereiche 1.221 sowie entsprechend sechzehn dazwischen angeordnete nichtleitfähige Teilungsbereiche 1.222.
Die in 2 gezeigte, zur Abtastung der Codescheibe 1.2 vorgesehene Abtastleiterplatte 2.2 dient als Trägerkörper unter anderem für eine Detektoranordnung, welche hier aus verschiedenen Empfängerspulen 2.22 besteht. Diese Empfängerspulen 2.22 weisen als erste Detektorwindungen in einer inneren Empfängerspur Empfängerleiterbahnen 2.221 und als zweite Detektorwindungen in einer äußeren Empfängerspur weitere Empfängerleiterbahnen 2.222 auf. Zusammengehörige Paare der Empfängerleiterbahnen 2.221, 2.222 einer jeweiligen Empfängerspur sind hierbei relativ zueinander versetzt, so dass diese um 90° phasenversetzte Signale liefern können.
Darüber hinaus sind als Erregerwindungen an der Abtastleiterplatte 2.2 Erregerleiterbahnen 2.21 vorgesehen, welche auf einer inneren, einer mittleren und einer äußeren Erregerspur aufgebracht sind. Die Abtastleiterplatte 2.2 selbst weist eine zentrische Bohrung auf und ist als eine Leiterplatte, welche mehrere Lagen aufweist, ausgeführt.
Im zusammengebauten Zustand stehen sich die Codescheibe 1.2 und die Abtastleiterplatte 2.2 gegenüber, so dass die Achse R durch die Mittelpunkte beider Elemente verläuft und bei einer Relativdrehung zwischen Codescheibe 1.2 und Abtastleiterplatte 2.2 in der Abtastleiterplatte 2.2 ein von der jeweiligen Winkelstellung abhängiges Signal durch Induktionseffekte erzeugbar ist.
Vorraussetzung für die Bildung von entsprechenden Signalen ist, dass die Erregerleiterbahnen 2.21 ein zeitlich wechselndes elektromagnetisches Erregerfeld im Bereich der Abtastspuren bzw. im Bereich der damit abgetasteten Teilungsspuren 1.21 und 1.22 erzeugen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erregerleiterbahnen 2.21 als mehrere planar-parallele stromdurchflossene Einzel-Leiterbahnen ausgebildet. Werden die Erregerleiterbahnen 2.21 einer Leiterbahneinheit allesamt in der gleichen Richtung von einem Erregerstrom durchflossen, so bildet sich um die jeweilige Leiterbahneinheit ein schlauch- bzw. zylinderförmig orientiertes elektromagnetisches Feld aus. Die Feldlinien des resultierenden elektromagnetischen Feldes verlaufen in Form konzentrischer Kreise um die Leiterbahneinheiten, wobei die Richtung der Feldlinien in bekannter Art und Weise von der Stromrichtung in den Leiterbahneinheiten abhängt. Die Stromrichtung der unmittelbar an eine gemeinsame Abtastspur angrenzenden Leiterbahneinheiten bzw. die entsprechende Verschaltung dieser Leiterbahneinheiten ist dabei entgegengesetzt zu wählen, so dass die Feldlinien im Bereich der Abtastspuren jeweils identisch orientiert sind.
In der 5 ist schematisch ein Schaltkreis dargestellt, anhand dessen die Funktionsweise des Drehgebers erläutert werden soll. Der Drehgeber ist über den Steckverbinder 2.3 und ein Kabel mit einer externen Gleichspannungsquelle 3 verbunden. Im Normalbetrieb wird der Drehgeber von der externen Gleichspannungsquelle 3 versorgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Spannung U_C der Gleichspannungsquelle 3 fünf Volt.
Für den Fall, dass aus irgendeinem Grund die Gleichspannungsquelle 3 nicht zur Verfügung steht, wird der Drehgeber vorübergehend durch eine Batterie 4 mit elektrischer Energie versorgt, wobei hier die von der Batterie 4 abgegeben Spannung beispielsweise drei Volt betragen kann. Die Batterie 4 kann entweder direkt im Drehgeber, beispielsweise auf der Abtastleiterplatte 2.2 untergebracht sein, oder extern, so dass auch die von der Batterie 4 gelieferte elektrische Energie über das Kabel und den Steckverbinder 2.3 in den Drehgeber gelangen kann.
Auf der Abtastleiterplatte 2.2 ist ein ASIC-Baustein 2.23 montiert, welcher als Erregerkontrollelement arbeitet, unter dessen Kontrolle der Erregerstrom I_I, erzeugt wird. Wie dieser Erregerstrom I_I, I_II ausgestaltet ist, hängt davon ab, ob der Drehgeber durch die Gleichspannungsquelle 3 oder durch die Batterie 4 versorgt wird. Entsprechend ist der ASIC-Baustein 2.23 mit der Versorgungsleitung verbunden, so dass an einem Eingang des ASIC-Bausteins 2.23 die aktuell vorliegende Spannung U_C oder U_B anliegt. Sofern vom ASIC-Baustein 2.23 festgestellt wird, dass am Drehgeber die Spannung U_C anliegt, sich also der Drehgeber im Normalbetrieb befindet, treibt der ASIC-Baustein 2.23 die Erregerleiterbahnen 2.21 in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Erregerstrom I_I. Im ersten Betriebsmodus weist der Erregerstrom I_I im vorgestellten Ausführungsbeispiel eine Frequenz von einem MHz auf, so dass der zeitliche Abstand τ_I zwischen benachbarten Strommaxima im ersten Betriebsmodus 1 μs beträgt. Entsprechend sind die Kondensatoren 2.24 und die Erregerleiterbahnen 2.21, die einen elektrischen Schwingkreis bilden, dimensioniert. Der ASIC-Baustein 2.23 ist so konfiguriert, dass dem Schwingkreis bei jedem Nulldurchgang des Erregerstroms I_I ein minimaler Strompuls zugeführt wird, der so bemessen ist, dass gerade die Verluste im Schwingkreis kompensiert werden. Demgemäß kann der Erregerstrom I_I im ersten Betriebsmodus, wie in der 3a dargestellt, als ein periodischer Erregerstrom I_I bezeichnet werden, wobei im vorgestellten Ausführungsbeispiel dessen Maximalamplitude einen Wert von +70 mA bzw. –70 mA aufweist.
Durch den ersten Erregerstrom I_I werden in den Empfängerspulen 2.22, also in den Empfängerleiterbahnen 2.221, 2.222 Spannungen U_I in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Codescheibe 1.2 induziert. Die Empfängerleiterbahnen 2.221 umfassen zwei Leiterbahnen, die um 90° versetze Spannungssignale liefern. Innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper, also bei einem Drehwinkel von 2π (360°), liefern die Empfängerleiterbahnen 2.221 jeweils eine einzige Signalperiode bei der Abtastung der Teilungsspur 1.21. Durch die versetzte Anordnung der Leiterbahnen im Bereich der Empfängerleiterbahnen 2.221 entstehen im Betrieb des Drehgebers zwei induzierte Spannungen U_I, deren Einhüllende einen Phasenversatz von 90° zueinander aufweisen.
Aus der Abtastung der Teilungsspur 1.21 resultiert also eine relativ grobe, absolute Positionsinformation innerhalb einer Umdrehung der Codescheibe 1.2 um die Drehachse R. Diese Signale liefern ein eindeutiges absolutes Positionssignal innerhalb einer Umdrehung einer Welle 1.1. Durch eine Auswertung der um 90° phasenversetzten Signale ist zudem eine Richtungserkennung der Drehbewegung gewährleistet.
Die weiteren Empfängerleiterbahnen 2.222 auf der zweiten, äußeren Abtastspur dienen zur Abtastung der zweiten Teilungsspur 1.22. Zwischen den beiden Empfängerleiterbahnen 1.7, 1.8 ist ebenfalls ein Relativ-Versatz vorgesehen, so dass ausgangsseitig bei der Abtastung der zweiten Teilungsspur 1.22 zwei Signale entstehen, zwischen deren Einhüllenden ein 90° Phasenversatz besteht.
Die äußeren Empfängerleiterbahnen 2.222 weisen jeweils sechzehn, also 2⁴, Windungen auf, so dass mit den äußeren Empfängerleiterbahnen 2.222 ein vergleichsweise hoch auflösendes Inkrementalsignal bei der Relativbewegung der Codescheibe 1.2 gegenüber der Abtastleiterplatte 2.2 erzeugt werden kann. Innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper, also bei einem Drehwinkel von 2π (360°), liefern die Empfängerleiterbahnen 2.222 jeweils sechzehn Signalperioden bei der Abtastung der Teilungsspur 1.22.
In Verbindung mit der groben absoluten Positionsbestimmung über die erste Teilungsspur 1.21 ist über eine derartige Anordnung eine hochauflösende absolute Drehwinkelbestimmung möglich.
In der 3b ist ein zeitlicher Verlauf der Spannungen U_I in einer der Empfängerleiterbahnen 2.221 dargestellt, sowie die beiden einhüllenden sinusförmigen Kurven. In Kombination mit den induzierten Spannungen U_I der restlichen Empfängerleiterbahnen 2.221, 2.222 können durch ein Demodulationsverfahren entsprechende sinusförmige Signale gebildet werden, durch welche die exakte Winkellage der Welle 1.1 bestimmt werden kann. Dabei werden die induzierten Spannungen U_I vom ASIC-Baustein 2.23, der nun gleichzeitig als Auswerteelement dient, elektronisch in der Weise verarbeitet, dass eine entsprechende Winkellageinformation für die Welle 1.1 erzeugt wird. Demnach sind also das Erregerkontrollelement und das Auswerteelement in einem einzigen ASIC-Baustein integriert.
In Folge der hohen Frequenz der Erregerstroms I_I ist es möglich, dass praktisch jederzeit die aktuelle Winkellageinformation vom Drehgeber abgerufen werden kann. Zusätzlich ist ein Zählen ganzer Umdrehungen möglich.
Falls nun, zum Beispiel auf Grund eines Stromausfalles, die Gleichspannungsquelle 3 nicht zur Verfügung steht, liegt die Spannung U_B der Batterie 4 am Drehgeber an. Dies erkennt der ASIC-Baustein 2.23 und selektiert daraufhin den zweiten Betriebsmodus, so dass der ASIC-Baustein 2.23 die Erregerleiterbahnen 2.21 nunmehr den wesentlich Strom sparenderen zweiten Betriebsmodus treibt, wobei der Effektivwert des zweiten Erregerstroms (I_I) kleiner ist als der des ersten Erregerstroms. Im zweiten Betriebsmodus wird ein gepulster Erregerstrom I_II erzeugt, gemäß der 4a. Das heißt, dass in Folge der Kontrolle des ASIC-Bausteins 2.23 Strompulse mit einer Frequenz von beispielsweise 200 Hz in die Erregerleiterbahnen 2.21 eingeprägt werden, so dass der zeitliche Abstand τ_II zwischen benachbarten Strommaxima im zweiten Betriebsmodus 0,005 s beträgt. Somit ist im zweiten Betriebsmodus der zeitliche Abstand τ_II zwischen benachbarten Strommaxima 5000-mal größer als der zeitliche Abstand τ_I benachbarter Strommaxima I_I im ersten Betriebsmodus. Zwischen den Pulsen liegt im zweiten Betriebs modus jeweils eine Strompause, in welcher der Wert des Erregerstroms I_II im zweiten Betriebsmodus praktisch gleich Null ist. Durch die vergleichsweise niedrige Frequenz und der geringen Pulszeit (z. B. T = 1 μs), sowie eine niedrige Stromamplitude (z. B. Maximalamplitude = 20 mA) wird im zweiten Betriebsmodus der Strombedarf des Drehgebers im Vergleich zum dem des ersten Betriebsmodus signifikant reduziert, bzw. ist die elektrische Leistungsaufnahme, also der Bedarf des Drehgebers an elektrischer Energie bezogen auf eine Betriebssekunde im zweiten Betriebsmodus wesentlich kleiner als im ersten Betriebsmodus. Im zweiten Betriebsmodus und im ersten Betriebsmodus werden dieselben Erregerleiterbahnen 2.21 vom zweiten Erregerstrom I_II bzw. vom ersten Erregerstrom I_I durchflossen.
Der gepulste Erregerstrom I_II induziert in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Codescheibe 1.2 in den Empfängerleiterbahnen 2.221 eine Spannung U_II (Antwortpuls). Die Empfängerleiterbahnen 2.221 umfassen, wie bereits beschrieben, zwei Leiterbahnen, die im Ergebnis um 90° versetze Spannungssignale liefern. In der 4b ist beispielsweise der zeitliche Verlauf der Spannung U_II gezeigt, wie er in der ersten der Empfängerleiterbahnen 2.221 (z. B. 0° Phase) induziert wird. Der als Auswerteelement arbeitende ASIC-Baustein 2.23 stellt fest, dass die Spannung U_II (0°) einen Schwellwert U_L überschritten hat. Gleichzeitig wird auch festgestellt, dass die in der zweiten der Empfängerleiterbahnen 2.221 (z. B. 90° Phase) induzierte Spannung U_II (90°) den Schwellwert U_L nicht erreicht hat.
Diese Eingangsbedingungen werden vom ASIC-Baustein 2.23 als Auswerteelement derart elektronisch verarbeitet, dass eine Winkellageinformation erzeugt wird. Die im zweiten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation ist vergleichsweise grob, bzw. ungenau. Es kann aber immerhin festgestellt werden, welchem Quadranten die Winkellage der Welle 1.1 zuzuordnen ist. Dies ist beispielsweise dann wichtig, wenn durch eine hängende Last die Motorwelle ungesteuert weiterbewegt wird. Denn dann kann im zweiten Betriebsmodus zumindest festgestellt werden wie viele Umdrehungen die Welle 1.1 zurückgelegt hat und in welcher Richtung. Entsprechend kann die Um drehungsanzahl auch bei ausgefallener Gleichspannungsquelle 3 gezählt werden, so dass die Umdrehungszahl nicht verloren geht.
Abhängig von der Stellung der Codescheibe 1.2 kann die induzierte Spannung U_II auch den unteren Schwellwert –U_L unterschreiten. Somit wird für jede Phase unterscheiden, ob U_II ≥ U_L, –U_L < U_II < +U_L oder U_II ≤ U_L ist. Entsprechend kann für die Lage der Welle 1.1 eine eindeutige Quadrantenzuordnung vorgenommen werden.

Claims

Drehgeber umfassend – eine Welle (1.1), – einen Trägerkörper (2.2), an dem • mindestens eine Erregerwindung (2.21), durch welche zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ein Erregerstrom (I_I, I_II) leitbar ist, sowie • mindestens eine Detektoranordnung (2.22) zur Abtastung des durch einen Codeträger (1.2) beeinflussten elektromagnetischen Feldes angeordnet sind, – ein Erregerkontrollelement (2.23) und – ein Auswerteelement (2.23), wobei die Welle (1.1) relativ zum Trägerkörper (2.2) drehbar ist und an der Welle (1.1) zur Erfassung ihrer Winkellage der Codeträger (1.2) drehfest festgelegt ist, wobei das Erregerkontrollelement (2.23) derart ausgestaltet ist, dass durch dieses die Erregerwindung (2.21) selektiv in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, in einer Weise, dass im ersten Betriebsmodus ein erster Erregerstrom (I_I) und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom (I_II) erzeugbar ist, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus kleiner ist als im ersten Betriebsmodus, und der jeweilige Erregerstrom (I_I, I_II) in der Detektoranordnung (2.22) Spannungen (U_I, U_II) induziert, die zur Erzeugung von Winkellageinformationen vom Auswerteelement (2.23) elektronisch verarbeitbar sind.
Drehgeber gemäß dem Anspruch 1, wobei die im zweiten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation eine grobere Auflösung aufweist als die im ersten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation.
Drehgeber gemäß dem Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoranordnung (2.22) eine erste Detektorwindung (2.221) und eine zweite Detektorwindung (2.222) umfasst und die erste Detektorwindung (2.221) innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper (2.2) eine gegenüber der zweiten Detektorwindung (2.222) unterschiedliche Anzahl von Signalperioden liefert.
Drehgeber gemäß dem Anspruch 3, wobei die erste Detektorwindung (2.221) eine ungeradzahlige Anzahl von Signalperioden liefert.
Drehgeber gemäß dem Anspruch 4, wobei die erste Detektorwindung (2.221) innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper (2.2) eine kleinere Anzahl von Signalperioden liefert als die zweite Detektorwindung (2.222).
Drehgeber gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei vom Auswerteelement (2.23) zur Erzeugung von Winkellageinformationen – im zweiten Betriebsmodus die in der ersten Detektorwindung (2.222) induzierte Spannung (U_II) elektronisch verarbeitbar ist und gleichzeitig die in der zweiten Detektorwindung (2.222) induzierte Spannung (U_II) für die elektronischen Verarbeitung unberücksichtigbar ist und – im ersten Betriebsmodus sowohl die in der ersten Detektorwindung (2.221) als auch die in der zweiten Detektorwindung (2.222) induzierten Spannungen (U_I) elektronisch verarbeitbar sind.
Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregerkontrollelement (2.23) und das Auswerteelement (2.23) in einem ASIC-Baustein integriert sind.
Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregerkontrollelement (2.23) derart ausgestaltet ist, dass der zweite Erregerstrom (I_I) als ein gepulster Strom erzeugbar ist.
Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregerkontrollelement (2.23) derart ausgestaltet ist, dass der zweite Erregerstrom (I_II) Strompausen aufweist.
Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehgeber eine Batterie aufweist, zur Stromversorgung des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus.
Verfahren zum Betrieb eines Drehgebers, der – eine Welle (1.1), – einen Trägerkörper (2.2), an dem • mindestens eine Erregerwindung (2.21) durch welche zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ein Erregerstrom (I_I, I_II) geleitet wird, sowie • mindestens eine Detektoranordnung (2.22) zur Abtastung des durch einen Codeträger (1.2) beeinflussten elektromagnetischen Feldes angeordnet sind, – ein Erregerkontrollelement (2.23) und – ein Auswerteelement (2.23) umfasst, wobei die Welle (1.1) relativ zum Trägerkörper (2.2) drehbar ist und an der Welle (1.1) zur Erfassung ihrer Winkellage der Codeträger (1.2) drehfest festgelegt ist, mit folgenden Schritten • Selektieren eines ersten oder zweiten Betriebsmodus, • Erzeugen eines Erregerstroms (I_I, I_II) in der Erregerwindung (2.21) mit Hilfe des Erregerkontrollelements (2.23), wobei im ersten Betriebsmodus ein erster Erregerstrom (I_I) und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Erregerstrom (I_II) erzeugt werden, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) derart ausgestaltet wird, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Drehgebers im zweiten Betriebsmodus kleiner ist als im ersten Betriebsmodus, • Detektieren der durch den Erregerstrom (I_I, I_II) in der Detektoranordnung (2.22) induzierten Spannung (U_I, U_II), • elektronische Verarbeitung der induzierten Spannung (U_II, U_I) zur Erzeugung von Winkellageinformationen.
Verfahren gemäß dem Anspruch 11, wobei die im zweiten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation eine grobere Auflösung aufweist als die im ersten Betriebsmodus erzeugte Winkellageinformation.
Verfahren gemäß dem Anspruch 11 oder 13, wobei der erste oder der zweite Betriebsmodus in Abhängigkeit von der am Drehgeber anliegenden Spannung (U_B, U_C) selektiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) als ein gepulster Strom erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) Strompausen aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) so ausgestaltet wird, dass der zeitliche Abstand (τ_II) zwischen benachbarten Strommaxima mindestens 100-mal größer ist als der zeitliche Abstand (τ_I) benachbarter Strommaxima des ersten Erregerstroms (I_I).
Verfahren gemäß dem Anspruch 16, wobei der zweite Erregerstrom (I_II) so ausgestaltet wird, dass der zeitliche Abstand (τ_II) zwischen benachbarten Strommaxima mindestens 1000-mal größer ist als der zeitliche Abstand (τ_I) benachbarter Strommaxima des ersten Erregerstroms (I_I).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Detektoranordnung (2.22) eine erste Detektorwindung (2.221) und eine zweite Detektorwindung (2.222) umfasst und die erste Detektorwindung (2.221) innerhalb einer Umdrehung relativ zum Trägerkörper (2.2) eine gegenüber der zweiten Detektorwindung (2.222) unterschiedliche Anzahl von Signalperioden liefert, – wobei im zweiten Betriebsmodus die in der ersten Detektorwindung (2.222) induzierte Spannung (U_II) elektronisch verarbeitet wird und gleichzeitig die in der zweiten Detektorwindung (2.222) induzierte Spannung (U_II) von der elektronischen Verarbeitung unberücksichtigt wird und – im ersten Betriebsmodus sowohl die in der ersten Detektorwindung (2.221) als auch die in der zweiten Detektorwindung (2.222) induzierten Spannungen (U_I) elektronisch verarbeitet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei der erste Erregerstrom (I_I) eine höhere Maximalamplitude aufweist als der zweite Erregerstrom (I_II).