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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor zur Bestimmung
von Relativpositionen gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines induktiven Positionssensors
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Messsystem, das mit einem induktiven
Positionssensor ausgestattet ist, gemäß dem Anspruch
13.
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Induktive
Positionssensoren werden beispielsweise als Drehgeber zur Bestimmung
der Winkellage zweier relativ zueinander drehbaren Maschinenteile
verwendet. Bei induktiven Positionssensoren sind Erregerspulen 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 Teilscheibe
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 Erregerspulen ein zeitlich wechselnder elektrischer Erregerstrom
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.
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Ferner
werden induktive Positionssensoren häufig auch zur direkten
Messung von Längsverschiebungen entlang einer Achse verwendet.
Dabei wird das gleiche Messprinzip angewendet wie bei den oben genannten
Drehgebern, allerdings verlaufen dann die Empfängerspulen
und die Teilungsstruktur entlang der geradlinigen Achse.
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Häufig
werden derartige induktive Positionssensoren als Messgeräte
für elektrische Antriebe, zur Bestimmung der Relativbewegung
bzw. der Relativlage von entsprechenden Maschinenteilen, eingesetzt.
In diesem Fall werden die Positionswerte, welche von den Positionssensoren
erzeugt werden, einer Folgeelektronik zur Ansteuerung der Antriebe über
eine entsprechende Schnittstellenanordnung zugeführt. Eine
derartige Konfiguration, bestehend aus Positionssensor, Schnittstellenanordnung
und Folgeelektronik, wird als Messsystem bezeichnet.
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Es
besteht in vielen Einsatzbereichen derartiger Positionssensoren
bzw. Messsysteme permanent der Wunsch, dass diese sicherheitstechnischen Anforderungen
genügen. Häufig muss es möglich sein,
dass sich Personen innerhalb eines Schwenkbereichs von Maschinenteilen,
deren Antriebe mit dem Messsystem zusammenwirken, aufhalten dürfen.
Unter diesen Voraussetzungen muss ausgeschlossen sein, dass diese
Personen durch Fehler im Messsystem in Gefahr geraten. Entsprechend
sollte selbstredend zugleich vermieden werden, dass Sachgüter
in der Nähe der bewegten Maschinenteile beschädigt
werden könnten.
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In
der
DE 197 51 853
A1 der Anmelderin wird ein induktiver Positionssensor beschrieben,
bei dem die Empfängerspulen innerhalb einer Spur mit einem Versatz
angeordnet sind, der eine 90°-Phasenverschiebung der empfangen
Signale bewirkt. Ein Ausfall einer Empfängerspule oder
ein Fehler in der Auswerteelektronik würde im Allgemeinen
nicht entdeckt werden.
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Aus
der Offenlegungsschrift
JP
2004 205456 A1 ist ein inkremrentaler Encoder beschrieben,
der drei um 120° Phasen-verschobene Signale erzeugt.
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Ein
entsprechender Encoder genügt jedoch nicht höheren
sicherheitstechnischen Anforderungen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Positionssensor
bzw. ein entsprechendes Messsystem zu schaffen, durch welchen bzw.
durch welches hohe sicherheitstechnische Anforderungen erfüllbar
sind.
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Ebenso
wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, welches einen
sicheren Betrieb eines entsprechenden Positionssensors ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 7 oder 13 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße induktive Positionssensor umfasst
eine Abtastleiterplatte, auf der eine Erregerleiterbahn zur Erzeugung
eines elektromagnetischen Feldes und eine (erste) Empfängerspur
mit mehreren Empfängerleiterbahnen angeordnet sind. Weiterhin
umfasst der Positionssensor ein Teilungselement, welches relativ
zur Abtastleiterplatte verschieblich oder drehbar ist und eine Teilungsspur
aufweist, die aus alternierend angeordneten, elektrisch leitfähigen
und nichtleitfähigen Teilungsbereichen besteht. Darüber
hinaus umfasst der Positionssensor eine elektronische Schaltung.
Die Empfängerspur ihrerseits weist zumindest drei Empfängerleiterbahnen auf,
welche so angeordnet sind, dass bei einer Relativbewegung – z.
B. einer Relativdrehung – zwischen dem Teilungselement
und der Abtastleiterplatte in den Empfängerleiterbahnen
der Empfängerspur Signale detektierbar sind, wobei eine
Phasenverschiebung zumindest zwischen einem Paar dieser Signale von
n·90° abweicht, mit n als natürlicher
Zahl, wobei insbesondere die Zahl 0 nicht der Menge der natürlichen
Zahlen zuzuordnen ist. Die elektronische Schaltung ist so konfiguriert,
dass aus den von den Empfängerleiterbahnen der (ersten)
Empfängerspur detektierten Signalen zunächst drei
digitale Signale erzeugbar sind, und durch Kombination der drei
digitalen Signale zumindest zwei Positionswerte ermittelbar sind,
als Maß für die Relativbewegung zwischen dem Teilungselement
und der Ab tastleiterplatte. Die Positionswerte sind einem Vergleicher
zuführbar, zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit
des Positionssensors.
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Das
Teilungselement ist also relativ zur Abtastleiterplatte verschieblich
oder drehbar, so dass eine entsprechende Relativbewegung erfolgen
kann. Die Relativbewegung kann eine Drehbewegung sein oder eine
lineare Bewegung. Entsprechend können durch die Positionswerte
eine Winkelstellung oder eine translatorische Stellung dargestellt
werden.
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Unter
Phasenverschiebungen sind hier Phasenverschiebungen, bzw. elektrische
Phasenversätze, der Nutzsignale zu verstehen, wobei die
Nutzsignale eine wesentlich niedrigere Frequenz aufweisen als der
Erregerstrom in den Erregerspulen. Sinnvollerweise wird die Phasenverschiebung
in einem Bereich von 0° bis 360° angegeben. Die
Phasenverschiebung zwischen zumindest einem Paar dieser Signale
ist dergestalt, dass die Signale eine lineare Abhängigkeit
zueinander aufweisen.
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Unter
Kombination der drei Signale ist auf Grund des Vorliegens der betreffenden
drei Signale in digitaler Form eine Verrechnung dieser Signale bzw.
eine Durchführung eines Berechnungsalgorithmus auf Basis
der drei Signale als Input-Daten zu verstehen.
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Die
ermittelbaren Positionswerte basieren auf Signalen, die von unterschiedlichen
Empfängerleiterbahnen herrühren, wobei die Signale
der jeweiligen Empfängerleiterbahnen auf voneinander unabhängigen
Singalpfaden durch die elektronische Schaltung leitbar sind. Die
digitalen Positionswerte sind demnach insofern unabhängig
voneinander, als dass diese von unterschiedlichen Empfängerleiterbahnen
bzw. unterschiedlichen Kombinationen von Empfängerleiterbahnen
herrühren und in der Schaltung unabhängig voneinander
verarbeitet oder ermittelt wurden, bzw. ermittelbar sind.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung liegt die elektronische
Schaltung in einem ASIC-Baustein vor.
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Mit
Vorteil ist der induktive Positionssensor so ausgestaltet, dass
auf der Abtastleiterplatte die erste Empfängerspur und
eine zweite Empfängerspur mit mehreren Empfängerleiterbahnen
angeordnet sind. Das Teilungselement umfasst dabei dann die erste
Teilungsspur und eine zweite Teilungsspur, wobei der Positionssensor
so konfiguriert ist, dass bei gleicher Relativbewegung zwischen
der Abtastleiterplatte und dem Teilungselement durch die Empfängerleiterbahnen
der ersten Empfängerspur eine geringere Anzahl von Signalperioden
erzeugbar ist als durch die Empfängerleiterbahnen der zweiten Empfängerspur.
Unter gleicher Relativbewegung sind Relativbewegungen gleicher Größe
zu verstehen, beispielsweise eine Relativdrehung um ein bestimmtes
Winkelmaß oder eine Längsverschiebung um ein bestimmtes
Längenmaß. Selbstverständlich kann der
induktive Positionssensor auch so ausgestaltet sein, dass mehr als
zwei Empfängerspuren und mehr als zwei Teilungsspuren vorgesehen
sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die elektronische Schaltung
des induktiven Positionssensors so konfiguriert, dass die Positionswerte
einem Mittelwertbildner zuführbar sind, wobei der Mittelwertbildner
ein Teil der elektronischen Schaltung ist.
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Weiterhin
kann die elektronische Schaltung so konfiguriert sein, dass aus
den von den Empfängerleiterbahnen der zweiten Empfängerspur
detektierten Signalen zunächst drei digitale Signale erzeugbar
sind, wobei durch Kombination der drei digitalen Signale zumindest
zwei Positionswerte ermittelbar sind. Die Positionswerte können
dann einem Mittelwertbildner zuführbar sein.
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Mit
Vorteil ist die elektronische Schaltung so konfiguriert, dass der
durch den Mittelwertbildner erzeugte Mittelwert einem Vergleichselement
zuführbar ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der induktive Positionssensor
so konfiguriert sein, dass bei einer Relativbewegung zwischen dem Teilungselement
und der Abtastleiterplatte in den Empfängerleiterbahnen
der Empfängerspur Signale detektierbar sind, deren Phasenverschiebungen
jeweils 60° oder 120° betragen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des induktiven
Positionssensors werden zunächst bei einer Relativbewegung
zwischen dem Tei lungselement und der Abtastleiterplatte in den Empfängerleiterbahnen
der Empfängerspur Signale detektiert, wobei eine Phasenverschiebung
zumindest zwischen einem Paar dieser Signale von n·90° abweicht,
mit n als natürlicher Zahl. Durch eine elektronische Schaltung
werden dann aus den von den Empfängerleiterbahnen der Empfängerspur
detektierten Signalen zunächst drei digitale Signale erzeugt.
Die drei digitalen Signale werden sodann derart kombiniert, dass
zumindest zwei digitale Positionswerte ermittelt werden. Dann werden
die Positionswerte miteinander verglichen, wobei bei einer Abweichung
der Positionswerte, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
eine Fehlermeldung ausgelöst wird.
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Das
Vergleichen der Abweichung der Positionswerte mit einem vorgegebenen
Grenzwert kann im Positionssensor selbst vorgenommen werden und/oder
in einer Folgeelektronik, an welche die Positionswerte vom Positionssensor
zuvor übertragen wurden.
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Mit
Vorteil sind auf der Abtastleiterplatte die erste Empfängerspur
und eine zweite Empfängerspur mit mehreren Empfängerleiterbahnen
angeordnet, wobei das Teilungselement die erste Teilungsspur und
eine zweite Teilungsspur umfasst. Bei dieser Anordnung werden dann
bei gleicher Relativbewegung zwischen der Abtastleiterplatte und
dem Teilungselement durch die Empfängerleiterbahnen der ersten
Empfängerspur eine geringere Anzahl von Signalperioden
erzeugt als durch die Empfängerleiterbahnen der zweiten
Empfängerspur. Bei der genannten Anordnung kann dann auch
bei gleicher Relativbewegung zwischen der Abtastleiterplatte und
dem Teilungselement durch die Empfängerleiterbahnen der
ersten Empfängerspur eine ungerade Anzahl von Signalperioden
erzeugt werden und durch die Empfängerleiterbahnen der
zweiten Empfängerspur eine gerade Anzahl, bzw. umgekehrt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Positionswerte einem
Mittelwertbildner zugeführt. Insbesondere können
bei dem Verfahren in der elektronischen Schaltung aus den von den
Empfängerleiterbahnen der zweiten Empfängerspur
detektierten Signalen zunächst drei digitale Signale erzeugt
werden, wobei durch Kombination der drei digitalen Signale zumindest zwei
Positionswerte ermittelt werden. Die Positionswerte werden dann
einem Mittelwertbildner zugeführt, zur Bestimmung eines
entsprechenden Mittelwertes. Der durch den Mittelwertbildner erzeugte
Mittelwert kann einem Vergleichselement zugeführt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messsystem, das den Positionssensor und
weiterhin eine Datenschnittstelle sowie eine Folgeelektronik umfasst.
Die Folgeelektronik umfasst ihrerseits den Vergleicher, wobei dem
Vergleicher zumindest zwei Positionswerte über die Datenschnittstelle
zuführbar sind. Die Datenschnittstelle umfasst mit Vorteil
eine Schnittstellenschaltung, beispielsweise einen entsprechenden
Schnittstellenbaustein am Positionssensor, ein Kabel zur Übertragung
der Positionswerte, sowie eine Schnittstellenschaltung, bzw. einen
Schnittstellenbaustein in der Folgeelektronik. Alternativ können
die Positionswerte auch kabellos übertragen werden, so
dass dann die Datenschnittstelle an Stelle des Kabels ein entsprechendes
Sender- und Empfängerelement aufweist.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems
ist durch die Folgeelektronik eine Fehlermeldung ausgebbar, wenn
eine Abweichung der Positionswerte einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Die Fehlermeldung kann mit Vorteil direkt eine automatische Stillsetzung
der mit dem Messsystem, bzw. mit der Folgeelektronik, verbundenen
Maschine auslösen. Die Fehlermeldung kann ergänzend
dann auch zu Diagnosezwecken etwa an einem Bildschirm ausgegeben
werden.
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Mit
Vorteil umfasst das Messsystem einen induktiven Positionssensor
mit einer Abtastleiterplatte, auf welcher die erste Empfängerspur
und eine zweite Empfängerspur mit mehreren Empfängerleiterbahnen
angeordnet sind, sowie ein Teilungselement, das die erste Teilungsspur
und eine zweite Teilungsspur aufweist. Dabei ist bei gleicher Relativbewegung
zwischen der Abtastleiterplatte und dem Teilungselement durch die
Empfängerleiterbahnen der ersten Empfängerspur
eine geringere Anzahl von Signalperioden erzeugbar als durch die
Empfängerleiterbahnen der zweiten Empfängerspur.
Ferner sind die aus den Signalen der Empfängerleiterbahnen
erzeugten digi talen Positionswerte in der Folgeelektronik zu einem
Positionswert kombinierbar.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen
Ansprüchen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen
induktiven Positionssensors, des Verfahrens zum Betrieb eines induktiven
Positionssensors, sowie des mit dem Positionssensor ausgestatteten
Messsystems ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
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Es
zeigen die
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1 eine
Draufsicht auf eine Teilscheibe,
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2 eine
Draufsicht auf eine Abtastleiterplatte,
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3 eine
schematische Darstellung der Funktion einer elektronischen Schaltung
eines Messsystems mit dem Positionssensor,
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4a–d
Signalverläufe, wie sie im Positionssensor auftreten,
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5 einen
Querschnitt durch einen induktiven Positionssensor.
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Im
vorgestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand
eines Messsystems beschrieben, welches einen rotatorischen induktiven
Positionssensor umfasst sowie eine Schnittstelle 5 zur
Datenübertragung und eine Folgeelektronik 4.
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In
den 1, 2 und 5 ist der
prinzipielle Aufbau eines Positionssensors gezeigt. Gemäß der 5 weist
der Positionssensor einen Rotor und einen Stator auf. Im vorgestellten
Ausführungsbeispiel umfasst der Rotor eine Welle 20,
welche beispielsweise an einer zu messenden Motorwelle drehfest
montiert werden kann. An einem Absatz der Welle 20 ist
zur Erfassung ihrer Winkellage ein Teilungselement in Form einer
ringförmigen Teilscheibe 2 mit – in der 5 nicht
dargestellten – Teilungsspuren 2.1, 2.2 drehfest
festgelegt.
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Der
Stator umfasst ein Gehäuse 10, an dem als Trägerkörper
eine ringförmige Abtastleiterplatte 1 befestigt
ist. Auf der Abtastleiterplatte 1 ist ein ASIC-Baustein 3,
in welchem sich eine elektronische Schaltung befindet, montiert.
Der ASIC-Baustein 3 dient unter anderem als Auswerteelement.
Ferner sind auf der Abtastleiterplatte 1 ein Schnittstellenbaustein 5 und
ein Steckverbinder 5.1 montiert. Der Rotor und der Stator,
bzw. die Welle 10 und das Gehäuse 20 sind
um eine Drehachse R relativ zueinander drehbar.
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In
der 1 ist die Teilscheibe 2 gezeigt. Diese
besteht aus einem Substrat 2.3, welches im dargestellten
Ausführungsbeispiel aus Epoxydharz hergestellt ist, und
auf welchem zwei Teilungsspuren 2.1, 2.2 angeordnet
sind. Die Teilungsspuren 2.1, 2.2 sind kreisförmig
ausgebildet und bezüglich einer Drehachse R konzentrisch
mit unterschiedlichem Durchmesser auf dem Substrat 2.3 angeordnet.
Die beiden Teilungsspuren 2.1, 2.2 bestehen jeweils
aus einer periodischen Abfolge von alternierend angeordneten elektrisch
leitfähigen Teilungsbereichen 2.11, 2.21 und
nichtleitfähigen Teilungsbereichen 2.12, 2.22.
Als Material für die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 2.11, 2.21 wurde
im gezeigten Beispiel Kupfer auf das Substrat 2.3 aufgebracht.
In den nichtleitfähigen Teilungsbereichen 2.12, 2.22 wurde
das Substrat 2.3 dagegen nicht beschichtet.
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Die
innere Teilungsspur 2.1 besteht in der dargestellten Ausführungsform
aus einem ersten halbkreisförmigen Teilungsbereich 2.11 mit
elektrisch leitfähigem Material, hier Kupfer, sowie einem
zweiten halbkreisförmigen Teilungsbereich 2.12,
in dem kein leitfähiges Material angeordnet ist.
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Radial
benachbart zur ersten Teilungsspur 2.1 liegt die zweite
Teilungsspur 2.2 auf dem Substrat 2.3, wobei auch
die Teilungsspur 2.2 aus einer Vielzahl elektrisch leitfähiger
Teilungsbereiche 2.21 sowie dazwischen angeordneten nichtleitfähigen
Teilungsbereichen 2.22 besteht. Die verschiedenen Teilungsbereiche 2.21, 2.22 sind
materialmäßig dabei ebenso ausgebildet wie die
Teilungsbereiche 2.11, 2.12 der ersten Teilungsspur 2.1.
Insgesamt umfasst die zweite Teilungsspur 2.2 im dargestellten
Ausführungsbeispiel sechzehn periodisch angeordnete, elektrisch
leitfähige Teilungsbereiche 2.21 sowie entsprechend
sechzehn dazwischen angeordnete nichtleitfähige Teilungsbereiche 2.22.
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Die
in 2 gezeigte, zur Abtastung der Teilscheibe 2 vorgesehene
Abtastleiterplatte 1 umfasst als Empfängerspulen
in einer inneren Empfängerspur 1.1 drei Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13 und
in einer äußeren Empfängerspur 1.2 weitere
drei Empfängerleiterbahnen 1.21, 1.22, 1.23.
Die zusammengehörigen Tripel der Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13; 1.21, 1.22, 1.23 einer
jeweiligen Empfängerspur 1.1, 1.2 sind
hierbei relativ zueinander versetzt, hier insbesondere gleichmäßig
zueinander versetzt.
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Darüber
hinaus sind als Erregerspulen an der Abtastleiterplatte 1 die
Erregerleiterbahnen 1.3 vorgesehen, welche auf einer inneren,
einer mittleren und einer äußeren Erregerspur
aufgebracht sind. Die Abtastleiterplatte 1 selbst weist
eine zentrische Bohrung auf und ist mehrlagig ausgeführt.
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Im
zusammengebauten Zustand des Positionssensors stehen sich die Teilscheibe 2 und
die Abtastleiterplatte 1 gegenüber, so dass die
Drehachse R durch die Mittelpunkte beider Elemente verläuft und
bei einer Relativdrehung zwischen Teilscheibe 2 und Abtastleiterplatte 1 in
der Abtastleiterplatte 1 ein von der jeweiligen Winkelstellung
abhängiges Signal durch Induktionseffekte erzeugbar ist.
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Vorraussetzung
für die Bildung von entsprechenden Signalen ist, dass die
Erregerleiterbahnen 1.3 ein zeitlich wechselndes elektromagnetisches
Erregerfeld im Bereich der Empfängerspuren 1.1, 1.2 bzw.
im Bereich der damit abgetasteten Teilungsspuren 2.1 und 2.2 erzeugen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erregerleiterbahnen 1.3 als mehrere
plan-parallele, Strom durchflossene Einzel-Leiterbahnen ausgebildet.
Werden die Erregerleiterbahnen 1.3 einer Leiterbahneinheit
allesamt in der gleichen Richtung von Strom 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.
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Die
Stromrichtung der unmittelbar an eine gemeinsame Empfängerspur 1.1, 1.2 angrenzenden Leiterbahneinheiten
bzw. die entsprechende Verschaltung dieser Leiterbahneinheiten ist
dabei entgegengesetzt zu wählen, so dass die Feldlinien
im Bereich der Empfängerspuren 1.1, 1.2 jeweils
identisch orientiert sind.
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Der
auf Abtastleiterplatte 1 montierte ASIC-Baustein 3 arbeitet
nicht nur als Auswerteelement, sondern auch als Erregerkontrollelement,
unter dessen Kontrolle der Erregerstrom, welcher dann durch die
Erregerleiterbahnen 1.3 fließt, erzeugt wird. Durch
den Erregerstrom werden in den Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13, 1.21, 1.22, 1.23 Spannungen
in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Teilscheibe 2 induziert,
wobei diese Spannungen im Folgenden als Signale S1.11, S1.12, S1.13,
S1.21, S1.22, S1.23 bezeichnet werden.
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In
den 4a bis 4c ist
nur der Verlauf der hochfrequenten empfangenen Signale S1.11, S1.12,
S1.13 der inneren Empfängerspur 1.1 dargestellt.
Entsprechend der Anordnung der inneren Empfängerspur 1.1 und
der inneren Teilungsspur 2.1 wird hier pro Umdrehung, also
bei einem Drehwinkel bzw. einer Relativbewegung von 2π (360°),
in einer Empfängerleiterbahn 1.11, 1.12, 1.13 eine
Signalperiode erzeugt.
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Die
drei äußeren Empfängerleiterbahnen 1.21, 1.22, 1.23 weisen
jeweils sechzehn, also 2, Windungen auf, so dass mit den äußeren
Empfängerleiterbahnen 1.21, 1.22, 1.23 ein
vergleichsweise hoch auflösendes Inkrementalsignal bei
der Relativbewegung der Teilscheibe 2 gegenüber
der Abtastleiterplatte 1 erzeugt werden kann. Innerhalb
einer Relativbewegung von einer Umdrehung (Drehwinkel von 360°)
relativ zum Trägerkörper, liefern die Empfängerleiterbahnen 1.21, 1.22, 1.23 jeweils
sechzehn Signalperioden bei der Abtastung der Teilungsspur 2.2.
Die drei induzierten und amplitudenmodulierten Signale S1.21, S1.22,
S1.23 entsprechen prinzipiell im Verlauf denen der 4a bis 4c.
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Die
Signale S1.11, S1.12, S1.13, S1.21, S1.22, S1.23 werden, gemäß der 3,
getrennt zunächst jeweils einer Verstärkerschaltung 3.11, 3.12, 3.13, 3.21, 3.22, 3.23 des
ASIC-Bausteins 3 zugeführt, wo die analogen Signale
S1.11, S1.12, S1.13, S1.21, S1.22, S1.23 verstärkt werden.
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Sodann
werden die verstärkten Signale S1.11, S1.12, S1.13, S1.21,
S1.22, S1.23 jeweils zu einem Demodulator 3.31, 3.32, 3.32, 3.41, 3.42, 3.43 geleitetet,
wo Signale S3.31, S3.32, S3.33, S3.41, S3.42, S3.43 gebildet werden,
welche die niederfrequenten phasengerichteten Amplituden der verstärkten
Signale S1.11, S1.12, S1.13, S1.21, S1.22, S1.23 sind. In der 4d sind
die Signale S3.31, S3.32, S3.33 in einem Diagramm dargestellt. Durch
die versetzte Anordnung der Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13, 1.21, 1.22, 1.23 entstehen
im Betrieb des Positionssensors pro Empfängerspur 1.1, 1.2 drei
induzierte Spannungsverläufe deren phasengerichtete Amplituden
bzw. Nutzsignale jeweils eine Phasenverschiebung von 120° zueinander
aufweisen.
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Gegebenenfalls
können die Signale S3.11, S3.12, S3.13, S3.21, S3.22, S3.23
nochmals verstärkt werden, bevor sie Analog-Digital-Wandlern 3.51, 3.52, 3.52, 3.61, 3.62, 3.63 zugeführt
werden. Dort werden digitale Signale S3.51, S3.52, S3.53, S3.61,
S3.62, S3.63 erzeugt. Entsprechend werden also pro Empfängerspur 1.1, 1.2 drei
digitale Signale S3.51, S3.52, S3.53, S3.61, S3.62, S3.63 gebildet. Somit
umfasst also der ASIC-Baustein 3 einen Analogteil (oberhalb
der strichpunktierten Line in 3) und einen
Digitalteil (unterhalb der strichpunktierten Line in 3).
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Der
ASIC-Baustein 3 kann so ausgestaltet sein, dass die digitalen
Signale S3.51, S3.52, S3.53, S3.61, S3.62, S3.63 einer Überprüfungsroutine
unterzogen werden. Beispielsweise kann überprüft
werden, ob die Summe der Signale S3.51, S3.52, S3.53 oder der Signale
S3.61, S3.62, S3.63 signifikant von Null abweicht, oder ob mehr
als eines der Signale S3.11, S3.12, S3.13 bzw. S3.61, S3.62, S3.63
den Wert Null angenommen hat. Falls dies der Fall ist kann eine
Fehlermeldung erzeugt werden. Die Einrichtungen zur Durchführung
dieser optionalen Überprüfungsroutinen sind im Übrigen
in der 3 nicht dargestellt. Im Allgemeinen kann zur Fehlerüberwachung
eine Überprüfung der Phasenbeziehung der S3.11,
S3.12, S3.13 bzw. S3.61, S3.62, S3.63 vorgenommen werden.
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In
logischen Schaltungen 3.71, 3.72 auf dem Digitalteil
des ASIC-Bausteins 3 werden durch Kombination der drei
digitalen Signale S3.51, S3.52, S3.53, die auf den Signalen S3.11,
S3.12, S3.13 basieren und aus der Abtastung der relativ groben Teilungsspur 2.1 resultiert,
zwei voneinander unabhängige Positionswerte P3.71, P3.72
ermittelt, bzw. berechnet. Die Berechnung basiert beispielsweise
auf einer Koordinatentransformation, durch welche die digitalen
Signale S3.51, S3.52, S3.53 zunächst in ein kartesisches
Koordinatensystem überführt werden und dann nach
herkömmlichen Verfahren ausgewertet werden. Insbesondere
werden aus den Signalen S3.51 (0°) und S3.52 (120°)
der Positionswert P3.71, aus den Signalen S3.52 (120°)
und S3.53 (240°) der Positionswert P3.72, gebildet. Jeder
Positionswert P3.71, P3.72 stellt also eine Positionsinformation
innerhalb einer Umdrehung der Teilscheibe 2 um die Drehachse
R dar. Im Idealfall würden die Positionswerte P3.71, P3.72
folglich jeweils den gleichen Wert annehmen. Durch zwangsläufig
auftretende Fertigungs- und Montagetoleranzen sowie durch wechselnde
Umwelteinflüsse werden die Positionswerte P3.71, P3.72,
wenn auch nur geringfügig, voneinander abweichen. Derartige
Abweichungen werden im Vergleicher 3.20 ermittelt und mit
einem vorgegebenen Grenzwert verglichen, welcher in einem Speicher 3.21 abgelegt
ist. Für den Fall, dass eine Abweichung größer
ist als der Grenzwert, wird eine Fehlermeldung E3.20 ausgegeben.
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Analog
zur Bildung der vergleichsweise groben Positionswerte P3.71, P3.72
wird auch die wesentlich feinere Positionsinformation aus den drei
digitalen Signalen S3.61, S3.62, S3.63 elektronisch verarbeitet,
wobei in logischen Schaltungen 3.81, 3.82, 3.83 ebenso
drei voneinander unabhängig ermittelte Positionswerte P3.81,
P3.82, P3.82 berechnet werden, die dann in einem Mittelwertbildner 3.102 zu
einem Mittelwert P3.102 verarbeitet werden. Durch die Bildung des
Mittelwerts P3.102 wird ein überaus exaktes Messergebnis
erreicht, das zudem weitgehend frei von Oberschwingungen der dritten Ordnung
ist. Somit wird erreicht, dass der Einfluss von Abstands schwankungen
zwischen der Abtastleiterplatte 1 und der Teilungsscheibe 2 auf
das Messergebnis minimiert wird. Der Mittelwert P3.102 und die drei
Positionswerte P3.81, P3.82, P3.82 werden an ein Vergleichselement 3.122 weitergeleitet,
welches einen Speicher 3.1221 aufweist, in dem ein Wert
für die zulässige Abweichung zwischen dem Mittelwert
P3.102 und jedem einzelnen der Positionswerte P3.81, P3.82, P3.82
hinterlegt ist. Sobald im Vergleichselement 3.122 eine
unzulässig hohe Abweichung bestimmt wird, wird eine Fehlermeldung E3.122
ausgegeben.
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In
der Anschlussschaltung 3.90 wird der Anschluss des feinen
Mittelwerts P3.102 mit dem vergleichsweise groben Positionswert
P3.72 vorgenommen, so dass im Ergebnis ein hochauflösender
absoluter Positionswert P bezüglich der Winkelstellung von
der Anschlussschaltung 3.90 erzeugt wird.
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Um
gesteigerte sicherheitstechnische Ansprüche zu erfüllen,
wird weiterhin in einer Anschlussüberwachungseinheit 3.91 der
Anschluss des feinen Mittelwerts P3.102 mit dem Positionswert P3.72
auf Plausibilität überprüft. Zu diesem
Zweck wird der Unterschied zwischen dem Mittelwert P3.102 und dem
der Positionswert P3.72 ermittelt. Ebenso wird aus einem Speicher 3.911 ein
Grenzwert ausgelesen, der mit dem ermittelten Unterschied verglichen
wird. Sobald in der Anschlussüberwachungseinheit 3.91 ein
unzulässig großer Unterschied festgestellt wird,
wird eine Fehlermeldung E3.91 ausgegeben.
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Die
möglicherweise auftretenden Fehlermeldungen des Vergleichers 3.20,
der Anschlussüberwachungseinheit 3.91 und des
Vergleichselements 3.122 werden an den Schnittstellenbaustein 5 weitergeleitet.
Dort werden die Werte entsprechend einem gewünschten Übertragungsprotokoll
weiterverarbeitet und über den Steckverbinder 5.1 und
ein Kabel an eine Folgeelektronik 4 übertragen.
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Die
Folgeelektronik 4 kann beispielsweise eine Numerische Steuerung
einer Maschine sein, wobei die Folgeelektronik 4 einen
weiteren Schnittstellenbaustein 4.20 und einen Vergleicher 4.1 umfasst.
Der übertragene Positionswert P3.71 und der übertragene
absolute Positionswert P3.102 werden vom Schnittstellenbaustein 4.20 der
Folgeelektronik 4 umgewandelt und dem Vergleicher 4.1 zugeführt. Um
sicherzustellen, dass während der Datenübertragung
keine Fehler aufgetreten sind, wird im Vergleicher 4.1 nochmals
eine Überprüfung vorgenommen. Nun wird der übertragene
Positionswert P3.71 mit dem übertragenen absoluten Positionswert
P3.102 verglichen, wobei auch hier die Abweichung der Positionswerte
P3.71, P3.102 mit einem vorgegeben Grenzwert, der in einem Speicher 4.11 hinterlegt
ist, verglichen wird. Sobald im Vergleicher 4.1 eine unzulässig
große Abweichung bestimmt wird, wird eine Fehlermeldung
E4.1 ausgegeben. Die Folgeelektronik 4 gibt also die Fehlermeldung
E aus, wenn diese zumindest eine der Fehlermeldung E3.20, E3.91 oder
E3.1221 vom ASIC-Baustein 3 des Positionssensors erhalten
hat, oder wenn die Fehlermeldung E4.1 vom Vergleicher 4.1 in
der Folgeelektronik 4 erzeugt wurde.
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Das
vorgestellte Messsystem hat insbesondere den Vorteil, dass es höchsten
Sicherheitsanforderungen genügt. Denn die digitalen Signale
S3.51, S3.52, S3.53, S3.61, S3.62, S3.63 basieren auf den analogen
Signalen S1.11, S1.12, S1.13; S1.21, S1.22, S1.23, die auf voneinander
unabhängigen Singalpfaden geleitet werden. Dadurch, dass
die Empfängerspuren 1.1; 1.2 jeweils
drei Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13; 1.21, 1.22, 1.23 umfassen,
durch die Signale S1.11, S1.12, S1.13; S1.21, S1.22, S1.23 detektierbar
sind, deren relative Phasenverschiebungen mit 120° jeweils
von n·90° abweicht (mit n als natürlicher
Zahl) wird die Sicherheit weiterhin erhöht. So ist bei
dieser Anordnung beispielsweise sofort erkennbar, ob eine der Empfängerleiterbahnen 1.11, 1.12, 1.13; 1.21, 1.22, 1.23 auf Grund
eines Defekts ausgefallen ist.
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Ein
weiterer Aspekt bezüglich der hohen Sicherheit des Messsystems
liegt darin, dass ein Vergleich der Positionswerte P3.71, P erst
nach erfolgter Datenübertragung in der Folgeelektronik 4 vorgenommen
wird. Auf diese Weise können auch noch Fehler, die erst
durch die Datenübertragung erzeugt wurden, erkannt und
durch Abgabe einer entsprechenden Fehlermeldung E behandelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19751853
A1 [0006]
- - JP 2004205456 A1 [0007]