DE102008064544A1

DE102008064544A1 - Positions-/Wegmesssystem und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Gebers

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Publication number: DE102008064544A1
Application number: DE102008064544A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Droxler
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: DE102008064544B4

Abstract

Es wird ein Positions-/Wegmesssystem bereitgestellt, umfassend mindestens eine erste Reihe an Sensorelementen, wobei die Sensorelemente in der mindestens einen ersten Reihe längs einer ersten Richtung angeordnet sind, mindestens einen Geber, welcher in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung zu den Sensorelementen beabstandet ist und längs der ersten Richtung positionierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, welcher Sensorsignale der Sensorelemente bereitstellbar sind und durch welche die Sensorsignale zur Bestimmung der Position des mindestens einen Gebers verarbeitbar sind, wobei in der ersten Richtung benachbarte Sensorelemente oder in der ersten Richtung benachbarte Gruppen von Sensorelementen einen in der ersten Richtung teilweisen räumlichen Überlappbereich aufweisen, wobei die Auswerteeinrichtung eine Untereinheit umfasst, welche den Quotienten $I1 berechnet oder vorgibt, wobei $I2 Sensorsignale von Sensorelementen oder Signale von jeweiligen Gruppen von Sensorelementen sind und idie Nummer des jeweiligen Sensorelements oder der Gruppe von Sensorelementen in der Abfolge längs der ersten Richtung ist, und dass die Untereinheit die Position des mindestens einen Gebers aus der Berechnung von $I3 bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Positions-/Wegmesssystem, umfassend mindestens eine erste Reihe an Sensorelementen, wobei die Sensorelemente in der mindestens einen ersten Reihe längs einer ersten Richtung angeordnet sind, mindestens einen Geber, welcher in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung zu den Sensorelementen beabstandet ist und längs der ersten Richtung positionierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, welcher Sensorsignale der Sensorelemente bereitstellbar sind und durch welche die Sensorsignale zur Bestimmung der Position des mindestens einen Gebers verarbeitbar sind, wobei in der ersten Richtung benachbarte Sensorelemente oder in der ersten Richtung benachbarte Gruppen von Sensorelementen einen in der ersten Richtung teilweisen räumlichen Überlappbereich aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Gebers längs einer ersten Richtung bei einem Positions-/Wegmesssystem, welches mindestens eine erste Reihe an Sensorelementen umfasst, wobei die Sensorelemente in der mindestens einen ersten Reihe längs der ersten Richtung angeordnet sind, und der Geber in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung zu den Sensorelementen beabstandet ist, wobei Sensorsignale der Sensorelemente zur Auswertung bereitgestellt werden und die Sensorsignale zur Bestimmung der Position des mindestens einen Gebers verarbeitet werden, und wobei in der ersten Richtung benachbarte Sensorelemente oder in der ersten Richtung benachbarte Gruppen von Sensorelementen einen in der ersten Richtung teilweisen räumlichen Überlappbereich aufweisen.
Aus der WO 2005/012840 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines, insbesondere metallischen, Zielobjekts bekannt mit mindestens zwei Nachweiseinrichtungen, die entlang einer zu überwachenden Wegstrecke so positioniert sind, dass sich die Empfindlichkeitskurven von einander unmittelbar benachbarten Nachweiseinrichtungen wenigstens teilweise überlappen, wobei die Nachweiseinrichtungen jeweils mindestens eine Induktivität und mindestens einen Oszillator aufweisen und, abhängig von einer Entfernung des Zielobjekts von der jeweiligen Nachweiseinrichtung, ein Entfernungssignal liefern, mit mindestens einer Umsetzeinrichtung, die mit den Nachweiseinrichtungen in Wirkverbindung steht, zum Umsetzen der von den Nachweiseinrichtungen jeweils erfassten Entfernungssignale in Analogsignale, insbesondere Strom- und/oder Spannungssignale, und mit mindestens einer Auswerteeinrichtung, die mit der Umsetzeinrichtung oder den Umsetzeinrichtungen in Wirkverbindung steht, zum Ermitteln und Ausgeben einer Ortsposition des Zielobjekts aus den auf die jeweiligen Nachweiseinrichtungen zurückgehenden Analogsignalen, wobei für die Nachweiseinrichtungen als Entfernungssignal jeweils ein Bedämpfungssignal des Oszillators ausgebbar ist.
Bei einem dort beschriebenen Verfahren zur Erfassung der Position eines insbesondere metallischen Zielobjekts werden mindestens zwei Nachweiseinrichtungen entlang einer zu überwachenden Wegstrecke so positioniert, dass sich die Empfindlichkeitskurven von einander unmittelbar benachbarten Nachweiseinrichtungen wenigstens teilweise überlappen, wobei die Nachweiseinrichtungen jeweils in Abhängigkeit von der Entfernung des Zielobjekts ein Entfernungssignal liefern. Die von den Nachweiseinrichtungen jeweils erfassten Entfernungssignale werden von mindestens einer Umsetzeinrichtung in Analogsignale umgesetzt und aus den verschiedenen, auf die jeweiligen Nachweiseinrichtungen zurückgehenden Analogsignalen wird die Position des Zielobjekts ermittelt. Als Entfernungssignal werden Bedämpfungssignale von Oszillatoren der Nachweiseinrichtungen verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Positions-/Wegmesssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches ein Ausgangssignal liefert, welches im Wesentlichen nur abhängig ist von der Position des Gebers längs der ersten Richtung.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Positions-/Wegmesssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auswerteeinrichtung eine Untereinheit umfasst, welche den Quotienten
berechnet oder vorgibt, wobei S_i* Sensorsignale von Sensorelementen oder Signale von jeweiligen Gruppen von Sensorelementen sind und i* die Nummer des jeweiligen Sensorelements oder der Gruppe von Sensorelementen in der Abfolge längs der ersten Richtung ist, und dass die Untereinheit die Position des mindestens einen Gebers aus der Berechnung von
bestimmt.
Die Sensorsignale S_i der Sensorelemente sind insbesondere analoge Signale. Diese enthalten grundsätzlich eine Temperaturabhängigkeit und eine Abhängigkeit des Abstands des Gebers in der zweiten Richtung zu den Sensorelementen. Wenn die Sensorelemente so ausgebildet sind, dass sie den gleichen Temperaturgang aufweisen, dann ist die Quotientenfunktion F_i* temperaturunabhängig. Sie hängt damit nur noch von der Position des Gebers in der ersten Richtung und dem Abstand des Gebers in der zweiten Richtung von den Sensorelementen ab. Wenn als nächster Schritt in der Untereinheit die Funktion G_i* berechnet wird, dann wird eine Funktion bereitgestellt, welche, wenn von linearen Kennlinien ausgegangen wird, unabhängig von dem Abstand des Gebers in der zweiten Richtung ist. Es lässt sich dadurch ein Ausgangssignal bereitstellen, welches dann nur noch von der Position des Gebers in der ersten Richtung abhängig ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Positions-/Wegmesssystem bereitgestellt, bei dem der Messbereich durch Anzahl der Sensorelemente leicht an eine entsprechende Anwendung angepasst werden kann. Es wird direkt aus gemessenen Sensorsignalen S_i eine Geberposition berechnet, welche unabhängig von dem Abstand in der zweiten Richtung ist. Es ist insbesondere keine Kalibrierung und keine Interpolation zwischen den Kalibrierwerten erforderlich.
Wenn die Sensorelemente in dem Positions-/Wegmesssystem linear sind, dann bleibt die Linearität der einzelnen Sensorelemente auch in dem Positions-/Wegmesssystem erhalten.
Es sind große Messbereiche im Vergleich zu Gehäuselängen möglich. Das Positions-/Wegmesssystem lässt sich auf einfache Weise herstellen.
Wenn eine Mehrzahl von Reihen an Sensorelementen vorgesehen sind, dann sind die Signale S_i* insbesondere direkte Sensorsignale S_i. Wenn nur eine einzige Reihe an Sensorelementen vorgesehen ist, dann sind die Signale S_i* Signale, welche den jeweiligen Gruppen zugeordnet sind und aus Sensorsignalen S_i der Sensorelemente eine Gruppe beispielsweise als Summensignal erzeugt werden.
Es ist grundsätzlich möglich, dass für die Sensorelemente des Positions-/Wegmesssystems eine Temperaturkompensation über Berechnung des Quotienten F_i* notwendig ist. Es ist aber auch möglich, dass die Sensorelemente ”a priori” eine temperaturabhängige Kennlinie liefern und in einem Bereich beispielsweise um einen Mittelpunkt herum linear sind. In diesem Falle muss kein temperaturabhängiger Koeffizient F_i* berechnet werden, sondern es kann der entsprechende Wert vorgegeben werden, um Funktionen G_j* zu bestimmen. Der Vorteil der Abstandskompensation wird dadurch ebenfalls erreicht.
Insbesondere sind Sensorelemente oder Gruppen von Sensorelementen sukzessive in einer oder mehreren Reihen in der ersten Richtung mit i* = 1 bis i* = n aufeinanderfolgend angeordnet, wobei i* eine natürliche Zahl ist. i* = 1 ist die Nummer des ersten Sensorelementes und n ≥ 2 ist die Nummer des letzten Sensorelements.
Insbesondere sind die Sensorsignale oder Signale von Gruppen von Sensorelementen analoge Signale wie Stromsignale oder Spannungssignale. Bevorzugt sind Spannungssignale. Wenn beispielsweise als Sensorelemente Spulen eingesetzt werden, dann lassen sich über die Auswertung von den entsprechenden Spulenspannungen die Güten der Spulen bestimmen. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine induktive Positionsbestimmung für den Geber realisieren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente Spulen oder umfassen Spulen. Ein entsprechendes Positions-/Wegmesssystem lässt sich auf einfache Weise realisieren.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensorsignale ein Maß für die Güte von Spulen als Sensorelemente sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine induktive Positionsbestimmung bzw. Wegbestimmung realisieren.
Grundsätzlich müssen die Sensorsignale aller Sensorelemente gemessen und ausgewertet werden. Günstig ist es, wenn ein Suchmodus vorgesehen ist, bei dem die Sensorsignale aller Sensorelemente gemessen und ausgewertet werden und die Position des mindestens einen Gebers berechnet wird. In dem Suchmodus lässt sich die Position des Gebers unabhängig von der Vorgeschichte des Gebers bestimmen.
Es ist ferner günstig, wenn ein Trackingmodus vorgesehen ist, bei welchem die Sensorsignale von Sensorelementen in der Nähe der zuletzt bestimmten Position des mindestens einen Gebers gemessen und ausgewertet werden. Dadurch lässt sich die Messzeit verringern.
Bei einer Ausführungsform weisen die Sensorelemente eine Erstreckung in der ersten Richtung und eine Erstreckung in einer dritten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung auf. Dadurch ist für eine effektive Ankopplung wie beispielsweise induktive Anordnung des Gebers an Sensorelemente gesorgt.
Insbesondere liegt in einem Überlappbereich ein Versatz von Sensorelementen oder Gruppen von Sensorelementen in der ersten Richtung vor und ein Aufeinanderfolgen oder Zusammenfallen von Sensorelementen in der dritten Richtung vor. Der räumliche Überlappbereich kann durch einen räumlichen Versatz von benachbarten Sensorelementen insbesondere in unterschiedlichen Reihen realisiert sein oder auch durch einen funktionellen Überlapp, in dem Gruppen definiert werden, wobei ein jeweiliges Sensorelement zu unterschiedlichen Gruppen gehört. Wenn beispielsweise ein bestimmtes Sensorelement zu zwei Gruppen gehört, dann ist hier ein räumlicher Überlapp funktionell realisiert.
Insbesondere sind in einer Gruppe von Sensorelementen mindestens zwei Sensorelemente in der ersten Richtung aufeinanderfolgend angeordnet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein räumlicher Überlapp erreichen.
Für das erfindungsgemäße Auswerteverfahren werden Signale S_i* verwendet. Wenn beispielsweise nur eine einzige Reihe vorhanden ist, dann wird als Signal einer Gruppe von Sensorelementen, welches in die Berechnung der Funktion F_i* eingeht, ein Summensignal der Sensorelemente der Gruppe verwendet. Dadurch ist ein funktioneller Überlapp realisiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine einzige Reihe von Sensorelementen vorgesehen, wobei eine Gruppe i* von Sensorelementen durch mindestens zwei beabstandete Sensorelemente gebildet ist. Eine einzige Reihe von Sensorelementen weist eine geringere Ausdehnung in einer dritten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung auf. Ein entsprechendes Positions-/Wegmesssystem lässt sich auch auf vorteilhafte Weise verwenden, wenn der Geber eine rotierende Scheibe ist. Wenn nur eine einzige Sensorelement-Reihe vorhanden ist, dann tritt nicht das Problem auf, dass der Einfluss des Gebers auf unterschiedliche Sensor-Reihen unterschiedlich ist. Beispielsweise lässt sich ein Versatz in einer dritten Richtung quer zur ersten Richtung und zweiten Richtung, welcher bei Rotation eines Gebers als Scheibe entstehen kann, durch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren automatisch eliminieren; ein solcher Versatz wirkt wie eine Änderung des Abstands in der zweiten Richtung und ist in der Funktion G_j* nicht mehr enthalten.
Insbesondere ist ein Sensorelement mit k ≥ 2 Mitglied der Gruppen i* = k und i* = k – 1. Dadurch wird ein räumlicher Überlapp funktionell erreicht, in dem das gleiche Sensorelement Mitglied zweier Gruppen ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der ersten Reihe von Sensorelementen mindestens eine weitere zweite Reihe von Sensorelementen vorhanden ist, wobei die zweite Reihe parallel zur ersten Reihe angeordnet ist und die Sensorelemente in der zweiten Reihe versetzt zu Sensorelementen der ersten Reihe angeordnet sind, und wobei ein Sensorelement i* aus der einen Reihe ist und ein Sensorelement i* + 1 aus der anderen Reihe ist. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein räumlicher Überlapp von benachbarten Sensorelementen i* und i* + 1 erreichen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Länge der einzelnen Sensorelemente in der ersten Richtung gering sein muss.
Bei einer Ausführungsform ist der Geber eine drehbare Scheibe. Dessen Position lässt sich insbesondere wenn eine einzige Reihe an Sensorelementen verwendet wird, auf einfache Weise bestimmen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensorsignale aller Sensorelemente zumindest näherungsweise den gleichen Temperaturgang aufweisen. Der Temperaturgang muss dabei nicht unbedingt linear sein. Dadurch lässt sich auf einfache Weise über die Berechnung der Funktion F_i* die Temperaturabhängigkeit im Ausgangssignal eliminieren.
Günstig ist es, wenn alle Sensorelemente gleich ausgebildet sind. Dadurch weisen diese die gleichen Eigenschaften und insbesondere die gleiche Kennlinie auf.
Ferner günstig ist es, wenn die Sensorelemente mindestens in einem Bereich um einen Arbeitspunkt eine lineare Kennlinie aufweisen. Dadurch lässt sich beispielsweise in Abhängigkeit des Abstands über Berechnung der Funktion G_j* in einem Ausgangssignal eliminieren.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich die Position des Gebers auf einfache Weise unabhängig von dem Abstand in der zweiten Richtung ermitteln lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Quotient
berechnet oder vorgegeben wird, wobei S_i* Sensorsignale von Sensorelementen oder Signale von jeweiligen Gruppen von Sensorelementen sind und i* die Nummer des jeweiligen Sensorelements oder der Gruppe von Sensorelementen in der Abfolge längs der ersten Richtung ist, und dass die Position des mindestens einen Gebers aus der Berechnung von
bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Positions-/Wegmesssystem erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Positions-/Wegmesssystems;
2 eine Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Positions-/Wegmesssystems;
3 eine Teildarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels; und
4 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels in Teildarstellung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Positions-/Wegmesssystems, welches in 1 schematisch gezeigt ist und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein Sensor-Array 12 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 14. Die Sensorelemente i sind in 1 mit natürlichen Zahlen von i = 1 bis i = 9 durchnummeriert.
Die Sensorelemente 14 sind in einer ersten Reihe 16 angeordnet, welche sich in einer ersten Richtung 18 erstreckt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Richtung 18 eine lineare Achse. Sie ist beispielsweise die x-Achse eines entsprechenden Koordinatensystems.
Die Sensorelemente 14 folgen sukzessive aufeinander und Sensorelemente 14 sind entsprechend benachbart zueinander.
Die Sensorelemente 14 weisen dabei jeweils eine Ausdehnung in der ersten Richtung 18 auf und eine Ausdehnung in einer dritten Richtung 20 quer zur ersten Richtung 18. Die dritte Richtung 20 ist beispielsweise eine y-Richtung.
Alle Sensorelemente 14 des Sensor-Arrays 12 sind vorzugsweise identisch ausgebildet.
Die Sensorelemente 14 stellen jeweils Sensorsignale S_i bereit, wobei i die Nummer des Sensorelements 14 in dem Sensor-Array 12 ist.
Die Sensorsignale S_i sind insbesondere analoge Signale und beispielsweise Spannungssignale.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 14 Spulen oder umfassen Spulen. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich die entsprechenden Spulen der Sensorelemente 14 des Sensor-Arrays 12 nicht gegenseitig beeinflussen. Die Sensorsignale S_i und insbesondere die Spannungen U_i, welche an den Spulen-Sensorelementen 14 abgreifbar sind, sind ein Maß für die Güte der entsprechenden Sensorspulen 14. Zur Bestimmung der Spulengüte können bekannte Verfahren eingesetzt werden.
Es ist dabei möglich, dass die Sensorelemente 14 mit einem Ferritkern versehen sind, der beispielsweise als Platte, U-Kern, E-Kern usw. ausgebildet sein kann. Dadurch lässt sich die Messempfindlichkeit erhöhen.
Das Positions-/Wegmesssystem 10 weist eine Auswerteeinrichtung 22 auf, welche die Sensorsignale S_i bis S_n (n ist eine natürliche Zahl und charakterisiert die Gesamtlänge des Sensor-Arrays 12) empfängt, und eine entsprechende Auswertung durch Verarbeitung der Sensorsignale ausführt. Dies wird unten noch näher beschrieben.
Das Positions-/Wegmesssystem 10 umfasst (mindestens) einen Geber 24. Bei dem Geber 24 handelt es sich beispielsweise um ein magnetisches und insbesondere permanentmagnetisches Element oder um ein Metallelement, welcher an die Sensorelemente 14 insbesondere induktiv koppelt. Der Geber 24 weist vorzugsweise eine Breite b in der ersten Richtung 18 auf, welche der entsprechenden Breite in dieser Richtung einer Sensorgruppe oder eines Sensorelements 14 entspricht. Dies wird untenstehend näher erläutert.
Der Geber 24 ist längs der ersten Richtung 18 positionierbar. Beispielsweise ist er relativ zu dem Sensor-Array 12 in der ersten Richtung 18 beweglich. Es ist auch möglich, dass das Sensor-Array 12 zu dem Geber 24 beweglich ist. Durch das Positions-/Wegmesssystem 10 lässt sich die Position des Gebers 24 bezogen auf die erste Richtung 18 bestimmen.
Der Geber 24 ist in einer zweiten Richtung 26 beabstandet zu den Sensorelementen 14. Die zweite Richtung 26 ist dabei eine Querrichtung sowohl zu der ersten Richtung 18 als auch zu der dritten Richtung 20. Beispielsweise ist die zweite Richtung 26 eine z-Richtung.
Der Geber 24 koppelt berührungslos an die Sensorelemente 14 an. Sensorsignale der Sensorelemente 14 sind durch die Ankopplung des Gebers 14 beeinflusst. Daraus lässt sich die Position des Gebers 24 bestimmen.
Die Auswerteinrichtung 22 weist eine Untereinheit 28 auf, welche entsprechende Berechnungen und Bestimmungen durchführt.
Das Positions-/Wegmesssystem 10 umfasst die erste Reihe 16 als einzige Reihe von Sensorelementen 14.
Zur Bestimmung der Position des Gebers 24 werden dabei Gruppen 30 von Sensorelementen 14 gebildet. Die Gruppen 30 sind dabei virtuell gebildet, das heißt sie sind nicht über eine Hardware-Verschaltung realisiert, sondern die Bildung der Gruppen 30 wird virtuell zum Zwecke der Auswertung gebildet.
In 1 sind die Gruppen als i* (mit Stern) nummeriert. Die einzelnen Sensorelemente 14 sind als i ohne Stern nummeriert. Eine Gruppe i* setzt sich zusammen aus dem Sensorelement k = i* und k = i* + 1. Eine Gruppe 30 besteht aus zwei benachbarten Sensorelementen 14, nämlich wie erwähnt den Sensorelementen k und k + 1 für die Gruppe i* = k.
Jedes Sensorelement 14 außer dem ersten Sensorelement (k = 1) und dem letzten Sensorelement (k = n) gehört damit zu zwei Gruppen 30, das heißt das Sensorelement mit der Nummer k gehört zu der Gruppe i* = k – 1 und i* = k.
Zur Bestimmung der Position des Gebers 24 werden die Sensorsignale S_i der Sensorelemente 14 ermittelt und ausgewertet. Die Breite des Gebers 24 in der ersten Richtung 18 entspricht vorzugsweise der Breite einer Gruppe 30 in dieser Richtung, das heißt der Summenbreite der Sensorelemente 14 der entsprechende Gruppe 30.
Die Wirkbereiche benachbarter Gruppen 30 überlappen sich, da jede Gruppe mit der benachbarten Gruppe ein gemeinsames Sensorelement 14 aufweist. Es ist ein Überlappbereich 32 gebildet, welcher ein räumlicher Überlappbereich ist. Der Überlappbereich 32 ist in der ersten Richtung 18 dadurch realisiert, dass benachbarte Gruppen 30 um die Breite eines Sensorelements 14 in der ersten Richtung 18 versetzt zueinander sind. In der dritten Richtung 20 ist kein Versatz vorhanden.
Zur Optimierung der Messzeit kann dabei ein Suchmodus vorgesehen sein, in dem zunächst alle Sensorsignale S_i gemessen werden und daraus dann die Position des Gebers 14 im Bezug auf den Sensor-Array 12 ermittelt wird. Nachfolgende Messungen können dann in einem Trackingmodus erfolgen, bei dem nur noch die Sensorsignale in der Nähe der letzten ermittelten Position gemessen und ausgewertet werden.
Die Sensorsignale S_i sind grundsätzlich abhängig von der Position des Gebers 14 in der ersten Richtung 18 und in der zweiten Richtung 26. Ferner sind die temperaturabhängig.
Erfindungsgemäß wird wie folgt vorgegangen:
Die Untereinheit 28 bildet in einem Messzyklus Signale S_i* für die jeweiligen Gruppen i* aus den Sensorsignalen S_i der einzelnen Sensorelemente. Diese Signale S_i* sind keine direkten Messsignale, sondern werden durch Verarbeitung von Sensorsignalen S_i erhalten.
Ein Signal S_i* wird als Summensignal der Sensorsignale der Sensorelemente 14 der entsprechenden Gruppe 30 gebildet als
Aus den Signalen S_i* werden dann Funktionen F_i* wie folgt berechnet:
Wenn davon ausgegangen wird, dass die Sensorelemente 14 die gleiche Temperaturabhängigkeit und insbesondere den gleichen Temperaturgang aufweisen (dazu sind die Sensorelemente 14 identisch ausgebildet), dann ist die Funktion F_i* unabhängig von der Temperatur. F_i* ist damit nur noch abhängig von der Position des Gebers in der ersten Richtung 18 und dessen Abstand in der zweiten Richtung 26 zu dem Sensor-Array 12.
Die Funktion F_i* ist temperaturkompensiert.
Aus der berechneten Funktion F_i* wird dann in einem weiteren Schritt die Funktion G_j* wie folgt berechnet:
Vorzugsweise werden die Sensorelemente 14 in der Nähe eines Arbeitspunkts betrieben, um den deren Kennlinien linear sind. Es sind dann die Funktionen F_i* und F_j*+1 mindestens näherungsweise linear. Damit sind die Funktionen G_j* ebenfalls linear und unabhängig vom Abstand des Gebers 14 zu dem Sensor-Array 12 in der zweiten Richtung 26. Die Funktionen G_j* sind damit temperaturunabhängig und unabhängig von dem Abstand des Gebers 24 in der zweiten Richtung 26.
Aus den Funktionen G_j* und der Kenntnis der jeweiligen Abschnittsnummer j* kann dann durch einfache Umrechnung die Position des Gebers 24 in der ersten Richtung 18 absolut ermittelt werden und es kann ein entsprechendes Ausgangssignal durch die Untereinheit 28 generiert werden, welches an einem Anschluss 34 abgreifbar ist. Das an dem Anschluss 34 abgreifbare Signal ist unabhängig von dem Abstand des Gebers 24 in der zweiten Richtung 26 zu dem Sensor-Array 12.
Erfindungsgemäß wird ein Positions-/Wegmesssystem bereitgestellt, dessen Messbereich über die Anzahl der Sensorelemente, welche in der ersten Richtung 18 positioniert sind, auf einfache Weise angepasst werden kann. Die Position des Gebers 24 längs der ersten Richtung 18 lässt sich über das erfindungsgemäße Verfahren direkt aus den gemessenen Sensorsignalen S_i abstandsunabhängig berechnen. Es ist keine Kalibrierung und keine Interpolation zwischen Kalibrierwerten erforderlich.
Wenn Sensorelemente 14 eingesetzt werden, welche eine Linearität mindestens um einen Arbeitspunkt aufweisen, dann bleibt in dem Sensor-Array 12, welches eine kettenförmige Anordnung der Sensorelemente 14 ist, diese Linearität erhalten.
Im Vergleich zu Gehäuselängen sind große Messbereiche erreichbar. Das Positions-/Wegmesssystem 10 lässt sich mit niedrigen Herstellungskosten herstellen.
Insbesondere wenn die Messzeit über die Verwendung des Trackingmodus optimiert wird, ist die Messgeschwindigkeit im Positions-/Wegmesssystem 10 unabhängig vom Messbereich.
Insbesondere wenn das Sensor-Array 12 einkettig ausgebildet ist, das heißt nur eine einzige Reihe 16 vorgesehen ist, dann lässt sich auf einfache Weise auch die lineare Position eines sich drehenden Teils erfassen. Beispielsweise wird als Geber 24 eine rotierende Scheibe verwendet. Wenn durch Rotation dieses scheibenförmigen Gebers 24 ein Versatz in der dritten Richtung 20 (y-Versatz) entsteht, wird dieses durch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren automatisch kompensiert, das heißt dieser y-Versatz ist in dem Ausgangssignal nicht enthalten.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Positions-/Wegmesssystems, welches in 2 in einer Teildarstellung gezeigt ist (ohne Geber und Auswerteeinrichtung) und dort mit 36 bezeichnet ist, umfasst eine erste Reihe 38 an Sensorelementen 40, welche sich längs der ersten Richtung 18 erstrecken, und eine zweite Reihe 42 an Sensorelementen 40, welche sich ebenfalls längs der ersten Richtung 18 erstreckt.
Die Positionierbarkeit des Gebers 24' (in der zweiten Richtung 26 beabstandet zu dem Sensor-Array 44 der Sensorelemente 40) ist grundsätzlich gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel 10. Die Breite des Gebers 24' in der ersten Richtung 18 entspricht vorzugsweise der Breite eines Sensorelements 40 in dieser Richtung.
Die erste Reihe 38 ist eine Kette von sukzessiv angeordneten Sensorelementen 40. Die zweite Reihe 42 ist parallel zur ersten Reihe 38 angeordnet und ebenfalls eine Kette von sukzessiv angeordneten Sensorelementen 40. Die Sensorelemente 40 der ersten Reihe 38 und der zweiten Reihe 42 sind dabei identisch ausgebildet.
Die erste Reihe 38 und die zweite Reihe 42 sind versetzt zueinander angeordnet, sodass Sensorelemente 40 der ersten Reihe 38 und der zweiten Reihe 42 in der ersten Richtung 18 einen räumlichen Überlappbereich 46 aufweisen. Dies bedeutet, wenn ein Geber 24' oberhalb des Überlappbereichs 46 liegt, sowohl das entsprechende Sensorelement 40 der ersten Reihe 38 als auch das entsprechende Sensorelement 40 der zweiten Reihe 42 ein entsprechendes Signal S_i* generiert.
Die Sensorelemente 40 folgen in einer Reihenfolge i*, i* + 1 aufeinander, wobei ungerade i* in der ersten Reihe 38 liegen und gerade i* in der zweiten Reihe 42 liegen.
Die Sensorelemente 40 stellen Signale S_i* = S_i bereit.
Aus diesen werden die Funktionen F_i* wie oben beschrieben (Gleichung (1)) berechnet und aus den Funktionen F_i* wiederum werden die Funktionen G_j* (Gleichung (2)) berechnet. Dadurch lässt sich auch bei dem Positions-/Wegmesssystem 36 ein abstandsunabhängiges Ausgangssignal (bezogen auf den Abstand des Gebers 24' in der zweiten Richtung 36) generieren.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel 10 wird durch die Gruppenbildung ein funktioneller Überlapp ”softwaremäßig” erreicht, welcher für die Auswertung benutzt wird (Berechnung der Funktionen F_i*), indem ein bestimmtes Sensorelement zwei unterschiedlichen Gruppen zugeordnet wird.
Bei dem Positions-/Wegmesssystem 36 ist über die Anordnung von Sensorelementen 40 in einer ersten Reihe 38 und der zweiten Reihe 42 mit Versatz ein teilweiser Überlappbereich 46 ”hardwaremäßig” realisiert, welcher die Bestimmung der Funktion F_i* erlaubt.
Bei dem Ausführungsbeispiel 10 sind die Signale S_i* keine tatsächlichen Sensorsignale, sondern Summensignale von Sensorsignalen S_i einzelner Sensorelemente. Bei dem Ausführungsbeispiel 36 sind die Signale S_i* tatsächliche Sensorsignale der individuellen Sensorelemente i*.
Ansonsten funktioniert das Positions-/Wegmesssystem 36 und das erfindungsgemäße Verfahren wie oben beschrieben.
Wie in 3 schematisch angedeutet, sind die Sensorelemente 14 bzw. 40 beispielsweise durch quadratische oder rechteckige Flachspulen 48 realisiert. Spulen einer ersten Reihe 38 sind beispielsweise gegenüber entsprechenden Spulen einer zweiten Reihe 42 um eine halbe Spulenlänge (bezogen auf die erste Richtung 18) versetzt.
Wie oben erwähnt, ist es dabei vorteilhaft, wenn insbesondere über Spannungen der Spulen 48 die Güte der Spulen 48 als Sensorelemente ermittelt wird.
Es ist beispielsweise auch möglich, wie in 4 angedeutet, dass ein Sensor-Array 50 eine Mehrzahl von dreidimensional gewickelten Spulen 52 aufweist. Wie oben erwähnt, können dabei die Spulen 52 in einer einzigen Reihe 16 angeordnet sein oder versetzt in unterschiedlichen Reihen 38 und 42.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/012840 A1 [0003]

Claims

Positions-/Wegmesssystem, umfassend mindestens eine erste Reihe (16; 38, 42) an Sensorelementen (14; 40; 48; 52), wobei die Sensorelemente (14; 40; 48; 52) in der mindestens einen ersten Reihe (16; 38; 42) längs einer ersten Richtung (18) angeordnet sind, mindestens einen Geber (24; 24'), welcher in einer zweiten Richtung (26) quer zu der ersten Richtung (18) zu den Sensorelementen (14; 40; 48; 52) beabstandet ist und längs der ersten Richtung (18) positionierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung (22), welcher Sensorsignale (S_i; S_i*) der Sensorelemente (14; 40; 48; 52) bereitstellbar sind und durch welche die Sensorsignale (S_i; S_i*) zur Bestimmung der Position des mindestens einen Gebers (24) verarbeitbar sind, wobei in der ersten Richtung (18) benachbarte Sensorelemente (14; 40; 48; 52) oder in der ersten Richtung (18) benachbarte Gruppen (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) einen in der ersten Richtung (18) teilweisen räumlichen Überlappbereich (32; 46) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Untereinheit (28) umfasst, welche den Quotienten
berechnet oder vorgibt, wobei S_i* Sensorsignale von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) oder Signale von jeweiligen Gruppen (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) sind und i* die Nummer des jeweiligen Sensorelements (14; 40; 48; 52) oder der Gruppe (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) in der Abfolge längs der ersten Richtung (18) ist, und dass die Untereinheit (28) die Position des mindestens einen Gebers (24) aus der Berechnung von
bestimmt.
Positions-/Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorelemente (14; 40; 48; 52) oder Gruppen (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) sukzessive in einer oder mehreren Reihen in der ersten Richtung (18) mit i* = 1 bis i* = n aufeinander folgen, wobei i* eine natürliche Zahl ist.
Positions-/Wegmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale (S_i; S_i*) Spannungssignale sind.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (14; 40; 48; 52) Spulen sind oder Spulen umfassen.
Positions-/Wegmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale (S_i; S_i*) ein Maß für die Güte von Spulen als Sensorelemente (14; 40) sind.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Suchmodus, bei dem die Sensorsignale (S_i; S_i*) aller Sensorelemente (14; 40; 48; 52) gemessen und ausgewertet werden und die Position des mindestens einen Gebers (24) berechnet wird.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Trackingmodus, bei welchem die Sensorsignale (S_i; S_i*) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) in der Nähe der zuletzt bestimmten Position des mindestens einen Gebers (24; 24') gemessen und ausgewertet werden.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (14; 40) eine Erstreckung in der ersten Richtung (18) und eine Erstreckung in einer dritten Richtung (20) quer zur ersten Richtung (18) und zur zweiten Richtung (26) aufweist.
Positions-/Wegmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlappbereich (32; 46) ein Versatz von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) oder Gruppen (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) in der ersten Richtung (18) vorliegt und ein Aufeinanderfolgen oder Zusammenfallen von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) in der dritten Richtung (20) vorliegt.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Gruppe (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) mindestens zwei Sensorelemente in der ersten Richtung (18) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal (S_i*) einer Gruppe (30) von Sensorelementen (14; 40; 48; 52) ein Summensignal der Sensorelemente (14; 40; 48; 52) der Gruppe (30) ist.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine einzige Reihe (16) von Sensorelementen (14), wobei eine Gruppe (30) i* von Sensorelementen (14) durch mindestens zwei beabstandete Sensorelemente (14) gebildet ist.
Positions-/Wegmesssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (14) mit k ≥ 2 Mitglied der Gruppen (30) i* = k und i* = k – 1 ist.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die erste Reihe (38) von Sensorelementen (40) und mindestens eine weitere zweite Reihe (42) von Sensorelementen (40), wobei die zweite Reihe (42) parallel zur ersten Reihe (38) angeordnet ist und Sensorelemente (40) in der zweiten Reihe versetzt zu Sensorelementen (40) der ersten Reihe (38) angeordnet sind, und wobei ein Sensorelement i* aus der einen Reihe ist und ein Sensorelement i* + 1 aus der anderen Reihe ist.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (24; 24') eine drehbare Scheibe ist.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale (S_i; S_i*) aller Sensorelemente (14; 40; 48; 52) mindestens näherungsweise den gleichen Temperaturgang aufweisen.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente (14; 40; 48; 52) gleich ausgebildet sind.
Positions-/Wegmesssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (14; 40; 48; 52) mindestens in einem Bereich um einen Arbeitspunkt eine lineare Kennlinie aufweisen.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Gebers längs einer ersten Richtung bei einem Positions-/Wegmesssystem, welches mindestens eine erste Reihe an Sensorelementen umfasst, wobei die Sensorelemente in der mindestens einen ersten Reihe längs der ersten Richtung angeordnet sind, und der Geber in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung zu den Sensorelementen beabstandet ist, wobei Sensorsignale der Sensorelemente zur Auswertung bereitgestellt werden und die Sensorsignale zur Bestimmung der Position des mindestens einen Gebers verarbeitet werden, und wobei in der ersten Richtung benachbarte Sensorelemente oder in der ersten Richtung benachbarte Gruppen von Sensorelementen einen in der ersten Richtung teilweisen räumlichen Überlappbereich aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient
berechnet oder vorgegeben wird, wobei S_i* Sensorsignale von Sensorelementen oder Signale von jeweiligen Gruppen von Sensorelementen sind und i* die Nummer des jeweiligen Sensorelements oder der Gruppe von Sensorelementen in der Abfolge längs der ersten Richtung ist, und dass die Position des mindestens einen Gebers aus der Berechnung von
bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorelemente oder Gruppen von Sensorelementen sukzessive in einer oder mehreren Reihen in der ersten Richtung mit i* = 1 bis i* = n aufeinander folgen, wobei i* eine natürliche Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale ein Maß für die Güte von Spulen als Sensorelemente sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch einen Suchmodus, bei dem die Sensorsignale aller Sensorelemente gemessen und ausgewertet werden und die Position des mindestens einen Gebers berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, gekennzeichnet durch einen Trackingmodus, bei welchem die Sensorsignale von Sensorelementen in der Nähe der zuletzt bestimmten Position des mindestens einen Gebers gemessen und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlappbereich ein Versatz von Sensorelementen oder Gruppen von Sensorelementen in der ersten Richtung vorliegt und ein Aufeinanderfolgen oder Zusammenfallen von Sensorelementen in einer dritten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Gruppe von Sensorelementen mindestens zwei Sensorelemente in der ersten Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal einer Gruppe von Sensorelementen ein Summensignal der Sensorelemente der Gruppe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, gekennzeichnet durch eine einzige Reihe von Sensorelementen, wobei eine Gruppe i* von Sensorelementen durch mindestens zwei beabstandete Sensorelemente gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement mit k ≥ 2 Mitglied der Gruppen i* = k und i* = k – 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, gekennzeichnet durch die erste Reihe von Sensorelementen und mindestens eine weitere zweite Reihe von Sensorelementen, wobei die zweite Reihe parallel zur ersten Reihe angeordnet ist und Sensorelemente in der zweiten Reihe versetzt zu Sensorelementen der ersten Reihe angeordnet sind, und wobei ein Sensorelement i* aus der einen Reihe ist und ein Sensorelement i* + 1 aus der anderen Reihe ist.