DE102009009788B4

DE102009009788B4 - Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen Bestimmen einer Drehwinkelposition und/oder eines Stillstands eines drehbaren Objekts

Info

Publication number: DE102009009788B4
Application number: DE102009009788.0A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Benk Stefan; Wolfgang Boll; Markus Rohs
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2029-02-21
Also published as: DE102009009788A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung einer Drehwinkelposition und/oder eines Stillstands eines drehbaren Objekts (1) umfassend mindestens eine optische Strahlungsquelle (2), eine Mehrzahl von Detektoren (3), eine Auswerteeinheit (9) zur Auswertung der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale sowie ein mit dem drehbaren Objekt (1) gekoppeltes Initiatorrad (5), das im Strahlengang (4) zwischen der mindestens einen optischen Strahlungsquelle (2) und den Detektoren (3) angeordnet ist und eine von der mindestens einen optischen Strahlungsquelle (2) erzeugte Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des zu überwachenden Objekts (1) moduliert, wobei das Initiatorrad (5) eine auf einen ersten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts (1) unterschiedlich moduliert als eine auf einen zweiten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung, wobei das Initiatorrad (5) ungleichmäßig verteilte Modulationsmittel (6, 7) aufweist, die während einer Rotationsbewegung des Initiatorrads (5) über eine bestimmte Drehwinkelposition und/oder über eine vollständige Umdrehung des Initiatorrads (5) unterschiedliche und ungleichmäßige Signalverläufe (S, S) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale verursachen, die mit der Drehwinkelposition des Initiatorrads (5) derart korreliert sind, dass aus Signalmustern der ungleichmäßigen Signalverläufe (S, S) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale die Drehwinkelposition und/oder eine Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, eine vorgegebene Toleranzgrenzen (T, T) überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts (1) zu erfassen und eine Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen (T, T) dabei auf ein oder mehrere Zeitfenster zu beschränken, sodass eine Rotationsbewegung des drehbaren Objekts (1) zur Einhaltung definierter Bedingungen des Stillstands nur innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen (T, T) und innerhalb vorgegebener Zeiten erfolgen darf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren, zu überwachenden Objekts. Die Erfindung betrifft insbesondere einen sicherheitsgerichteten, aktiven, optischen Positionssensor zur Überwachung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands drehbarer Objekte, wie z.B. Wellen oder Achsen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensorvorrichtung zur berührungslosen Bestimmung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts, die eine optische Strahlungsquelle, einen Detektor sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung der vom Detektor gelieferten Messsignale umfasst. Derartige optische Sensoren werden beispielsweise in Motoren oder Getrieben eingesetzt, um die Drehwinkelposition von Antriebswellen oder Getrieberädern auf möglichst unmittelbare Weise zu erfassen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für solche optischen Sensoren ist die Überwachung des Stillstands oder der Einhaltung eines bestimmten Bewegungsbereichs des drehbaren Objekts innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen.
Eine für berührungslose Sensoren häufig verwendete Messmethode ist das Reflex- oder Durchlichtprinzip, bei dem beispielsweise ein an der rotierenden Welle angeordnetes Initiatorrad lichtdurchlässige Abschnitte sowie lichtundurchlässige Abschnitte aufweist, die von der Strahlungsquelle beleuchtet werden, die gegenüber einem relativ dazu statisch angeordneten Abtastsystem liegt. Bei Bewegung der rotierenden Welle bzw. des daran angeordneten Initiatorrads bewegen sich die lichtdurchlässigen Abschnitte und lichtundurchlässigen Abschnitte des Initiatorrads durch den Strahlengang der Strahlungsquelle und erzeugen dadurch auf dem Abtastsystem ein wechselndes Reflexbild des Initiatorrads. Dieses Reflexbild kann im Abtastsystem mit Hilfe von elektrischen Photoempfängern abgetastet werden. Diese bekannten Sensorvorrichtungen haben den Nachteil, dass sie aufgrund eines einfachen Geber/Detektor-Paars lediglich eine Veränderung der Lage des Initiatorrads feststellen können und beispielsweise nicht die Drehwinkelposition oder die Drehrichtung des Initiatorrads.
Als Stillstand eines drehbaren Objekts wird beispielsweise die Einhaltung einer definierten Position des Objekts verstanden. Dies bedeutet, dass das drehbaren Objekt seine Position auch innerhalb vorgegebenen Toleranzen einhalten muss, um dem definierten Zustand des Stillstands zu entsprechen. Dabei kann es vorkommen, dass Erschütterungen oder die aktive Regelung konventioneller Sensorik temporäre Störsignale erzeugen, die zu einer Fehlinterpretation bezüglich der Position bzw. des Stillstands des drehbaren Objekts führen. Dies gilt besonders dann, wenn die Sensoren z.B. im Bereich einer Schaltschwelle stehen, die eine unzulässige Bewegung des drehbaren Objekts anzeigen.
Die bekannten Sensoren haben ferner den Nachteil, dass sie insbesondere im Bereich einer Schaltschwelle hinsichtlich der Position bzw. des Stillstands des drehbaren Objekts zu falschen Ergebnissen und damit zu einer unzuverlässigen Überwachung der Position bzw. des Stillstands des drehbaren Objekts führen. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Positions- oder Stillstandssensoren besteht darin, dass sie lediglich die Bewegung des drehbaren Objekts anzeigen können und keine weiteren Informationen über die Bewegung des drehbaren Objekts ermitteln oder angeben können.
Die DE 10 2005 055 307 A1 offenbart einen Drehsteller mit inkrementellem Drehwinkelgeber für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Handhabe, einer mit der Handhabe verbundenen und in einem Gehäuse des Drehstellers aufgenommenen Welle, einem drehfest an der Welle befestigten Kodierelement, das mit periodisch angeordneten Ausnehmungen versehen ist, sowie mindestens einer aus einer Lichtquelle und einem Fotosensor bestehenden Lichtschranke. Dabei wirken die Lichtschranke und das Kodierelement derart zusammen, dass die auf den Fotosensor treffende Lichtmenge abhängig ist von der Drehstellung des Kodierelementes in Bezug auf die Lichtschranke. Mittels des Fotosensors ist eine von der auf den Fotosensor einfallenden Lichtmenge abhängige analoge Ausgangsspannung erzeugbar.
Die US 6 043 483 A betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der absoluten Position eines beweglichen Elements durch Überwachen des Inkrements und der Bewegungsrichtung eines mit dem beweglichen Element gekoppelten Indexkodierers, welcher einen einzelnen Indexraum mit einer anderen Eigenschaft als alle anderen Nicht-Indexbereiche aufweist. Die Vorrichtung kann den Indexraum von irgendeinem der Nicht-Indexräume unterscheiden und somit erfassen, wann der Indexraum oder irgendeiner der Nicht-Indexräume an der vorbestimmten Position ist. Basierend auf der Erfassung des Indexraums und des Nicht-Indexraums bestimmt die Vorrichtung die Bewegungsrichtung des Indexcodierers und eine inkrementelle Bewegung, in welcher sich der Indexcodierer relativ zu der vorbestimmten Position bewegt hat, um die absolute Position des Indexcodierers zu bestimmen und somit des beweglichen Elements in Bezug auf die vorbestimmte Position.
Die EP 0 377 097 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs. Bei dieser Vorrichtung ist auf einem am Lenkrad angebrachten Ring ein einspuriger Streifencode vorgesehen, der nach einem vorgegebenen Verfahren erzeugt und mit Hilfe von Sensoren ausgelesen und einer Auswerteeinheit zugeführt wird. Der Streifencode wird vorzugsweise durch Aussparungen im Ring erzeugt und von Lichtschranken der Gabel gelesen.
Die DE 195 06 019 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Lenkwinkelsensors, bei dem in aufeinanderfolgenden Messintervallen durch eine stationäre Sensoreinheit mit mehreren optischen Elementen Codeworte als Bitfolgen einer im Lenkrad drehbar angebrachten Codespur erfasst werden. Durch eine Auswerteeinheit werden die erfassten Codeworte zugeordnete Lenkradwinkel mit einer durch die Sensoreinheit festgelegten Winkelschrittweite umgesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Positions- oder Stillstandssensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass über die Erfassung einer Bewegung des drehbaren Objekts hinaus weitere Bewegungsparameter bzw. weitere Informationen über die Bewegung des drehbaren Objekts ermittelt werden können und damit eine zuverlässigere Überwachung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands des drehbaren Objekts zu erreichen.
Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts umfassend mindestens eine optische Strahlungsquelle, eine Mehrzahl von Detektoren, eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von den Detektoren gelieferten Messsignale sowie ein mit dem drehbaren Objekt gekoppeltes Initiatorrad, das im Strahlengang zwischen der mindestens einen optischen Strahlungsquelle und den Detektoren angeordnet ist und eine von der mindestens einen optischen Strahlungsquelle erzeugte Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts moduliert, wobei das Initiatorrad eine auf einen ersten der Detektoren gerichtete Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts unterschiedlich moduliert als eine auf einen zweiten der Detektoren gerichtete Strahlung. Das Initiatorrad weist ungleichmäßig verteilte Modulationsmittel auf, die während einer Rotationsbewegung des Initiatorrads über eine bestimmte Drehwinkelposition und/oder über eine vollständige Umdrehung des Initiatorrads unterschiedliche und ungleichmäßige Signalverläufe der von den Detektoren gelieferten Messsignale verursachen. Die Signalverläufe sind mit der Drehwinkelposition des Initiatorrads derart korreliert, dass aus Signalmustern der ungleichmäßigen Signalverläufe der von den Detektoren gelieferten Messsignale die Drehwinkelposition und/oder eine Drehrichtung des drehbaren Objekts ermittelbar sind. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, eine vorgegebene Toleranzgrenzen überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts zu erfassen und Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen auf ein oder mehrere Zeitfenster zu beschränken, sodass eine Rotationsbewegung des drehbaren Objekts zur Einhaltung definierter Bedingungen des Stillstands nur innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen und innerhalb vorgegebener Zeiten erfolgen darf.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegendes Prinzip beruht darauf, zur Beobachtung des drehbaren Objekts mindestens zwei Detektoren zu verwenden und die von den Detektoren erzeugten Messsignale logisch miteinander zu verknüpfen, um eine zuverlässigere Überwachung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands des drehbaren Objekts zu erreichen. Zu diesem Zweck wird der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem einen Detektor durch das Initiatorrad in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts unterschiedlich moduliert als der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem anderen Detektor.
Dazu kann beispielsweise jeweils eine Strahlungsquelle mit einem Detektor zu einem Geber/Detektor-Paar kombiniert werden. Als Geber/Detektor-Paar können auch Näherungsschalter oder Drehgeber, wie z.B. Sinus- oder Inkrement-Geber verwendet werden. Das Initiatorrad umfasst eine Modulationsstruktur mit ungleichmäßig verteilten Modulationsmitteln, die so ausgebildet ist, dass sie die Geber/Detektor-Paare in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts moduliert. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet Modulation eine Veränderung oder Beeinträchtigung des Strahlengangs zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor derart, dass sich die Intensität der Strahlen verändert. Das heißt, dass die Detektoren bzw. die Geber/Detektor-Paare durch die Modulation des Initiatorrads in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts eine unterschiedliche Intensität der Strahlen detektieren und damit unterschiedliche Messsignale erzeugen.
Die Modulationsstruktur des Initiatorrads kann je nach Drehwinkelposition den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor unterschiedlich stark beeinträchtigen. Das Initiatorrad kann beispielsweise eine zahnkranzförmige Gestalt haben, die lichtdurchlässige Bereiche sowie nicht lichtdurchlässige Bereiche aufweist. Bei einer bestimmten Drehwinkelposition des drehbaren Objekts, und damit bei einer bestimmten Drehwinkelposition des Initiatorrads, kann ein Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor dadurch unterbrochen sein, und bei einer anderen Drehwinkelposition des drehbaren Objekts bzw. des Initiatorrads kann der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und demselben Detektor nicht unterbrochen oder beeinträchtigt sein.
Nach einem der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Prinzip werden mindestens zwei oder mehr Detektoren bzw.
Geber/Detektor-Paare versetzt in Bezug auf die Modulationsstruktur des Initiatorrads angeordnet, damit das Initiatorrad den Strahlengang des einen Geber/Detektor-Paars in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts unterschiedlich moduliert als den Strahlengang des anderen Geber/Detektor-Paars. Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Drehwinkelposition des drehbaren Objekts, und damit bei einer bestimmten Drehwinkelposition des Initiatorrads, beispielsweise der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und einem ersten Detektor unterbrochen ist, während in derselben Drehwinkelposition des Initiatorrads der Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und einem zweiten Detektor nicht unterbrochen oder beeinträchtigt ist.
Auf diese Weise wird bei einer Drehbewegung des drehbaren Objekts bzw. des Initiatorrads ein zeitlicher Versatz der Signalflanken oder ein zeitlicher Versatz der Bezugspegeldurchgänge in den durch das Initiatorrad modulierten Messsignalen der versetzt angeordneten Geber/Detektor-Paaren erzeugt. Diese Messsignale können elektronisch erfasst werden, um daraus Schlussfolgerungen über die Drehrichtung und/oder die Drehwinkelposition des drehbaren Objekts zu ziehen. Zusätzlich oder alternativ können die von den Detektoren erzeugten Messsignale, vorzugsweise digital, mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden, um die Einhaltung oder die Veränderung einer vorgegebenen Drehwinkelposition des drehbaren Objekts zu ermitteln.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Sensors, zur berührungslosen Ermittlung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts robuster gegenüber Störimpulsen gemacht und die Zuverlässigkeit der Stillstandsüberwachung verbessert werden. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine sicherheitsgerichtete Stillstandsüberwachung bzw. eine sicherheitsgerichtete Drehwinkelpositionsüberwachung bereitgestellt werden, mit der eine absolute Drehwinkelposition des drehbaren Objekts innerhalb von örtlichen Winkel-Toleranzen überwacht werden kann. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Unempfindlichkeit der Sensorvorrichtung und damit die Zuverlässigkeit der Stillstandsüberwachung gegenüber Erschütterungen verbessert werden, die innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen bleiben und somit definitionsgemäß nicht zu relevanten Drehwinkelpositionsveränderungen führen. Mit der vorliegenden Erfindung kann sowohl die Robustheit als auch die Zuverlässigkeit einer Stillstandsüberwachung gegenüber einer aktiven oder lastabhängigen Positionsteuerung verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine elektronische, analoge oder digitale, Auswerteeinheit der Messung durch die Detektoren nachgeschaltet werden. Mit Hilfe einer solchen Auswerteeinheit kann auch eine einstellbare oder parametrierbare oder eine fest vorgegebene Hysterese der Sensorik eingestellt werden. Ferner kann mittels einer programmierbaren Logik, wie z.B. Mikrocontroller, FPGA oder ASIC, in Abhängigkeit der ermittelten Drehrichtung die Abweichung von einem Bezugspunkt des drehbaren Objekts ermittelt werden.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird eine die vorgegebenen Toleranzgrenzen überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts beispielsweise dadurch erfasst, dass eine Drehwinkel-Sollposition (α_soll) für das drehbare Objekt mit der Drehwinkel-Istposition (α_ist) des drehbaren Objekts verglichen wird. Wenn die Differenz (α_soll-α_ist) zwischen der Drehwinkel-Sollposition und der Drehwinkel-Istposition einen vorgegebenen Referenzwert (Δα_plus, Δα_minus) als Toleranzgrenze überschreitet, so kann von einer nicht zulässigen Bereichsüberschreitung der Drehwinkel-Istposition des drehbaren Objekts ausgegangen werden, d.h. dass sich das drehbare Objekt außerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen befindet. Eine solche unzulässige Abweichung der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts kann dann beispielsweise von der Auswerteeinheit auf geeignete Weise signalisiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen dabei auf ein oder mehrere, gegebenenfalls dynamische, Zeitfenster beschränkt, um eine definierte Drift in der Position des überwachten Objekts zuzulassen, die beispielsweise nur durch irrelevante Bewegungen oder Erschütterungen bedingt sein können. Auf diese Weise wird die vorliegende Erfindung auch zur Überwachung des Stillstands eines drehbaren Objekts eingesetzt, wobei das drehbare Objekt sich nur innerhalb vorgegebener Grenzwerte und innerhalb vorgegebener Zeiten bewegen darf. Als Stillstand wird dabei die Einhaltung der definierten Bedingungen verstanden.
Wie bereits erwähnt, umfasst ein als erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestalteter Positionssensor eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, die von den Detektoren gelieferten Messsignale auszuwerten. Bei einer vollständigen Umdrehung des drehbaren Objekts kann die Auswerteeinheit eine Korrelation zwischen den von den Detektoren gelieferten Messsignalen bzw. der Modulationsabfolge des Initiatorrads und der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts erzeugen. Aus den von den Detektoren gelieferten Messsignalen kann die Auswerteeinheit dann durch Vergleich mit der zuvor während einer vollständigen Umdrehung des Initiatorrads erfassten Modulationsabfolge des Initiatorrads bzw. den wiederkehrenden Signalverläufen in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen den Drehwinkel des drehbaren Objekts ermitteln.
Durch diese Korrelation ist die Modulationsabfolge des Initiatorrads der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts zugeordnet, so dass die Auswerteeinheit in den Messsignalen auch vollständige Umdrehungen des rotierenden Objekts erkennen kann. Aus dem Vergleich mit wiederkehrenden Signalverläufen bzw. Modulationsabfolgen und/oder durch Vergleich mit gespeicherten Signalverläufen bzw. Modulationsabfolgen kann unter Berücksichtigung der Umdrehungszeit auch die Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren Objekts ermittelt werden. Zusätzlich kann aus den von den Detektoren gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Modulationsabfolgen und/oder durch Vergleich mit gespeicherten Signalmustern die Drehrichtung des drehbaren Objekts ermittelt werden.
Da je nach Drehwinkelposition des rotierenden Objekts ein unterschiedliches Modulationsbild des Initiatorrads von den Detektoren erfasst wird, kann daraus die Einhaltung des Stillstands und/oder die Drehwinkelposition des rotierenden Objekts ermittelt werden. Ferner kann die Auswerteeinheit aus den von den Detektoren gelieferten Messsignalen durch Zählen wiederkehrender Signalverläufe in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen bzw. durch Zählen vollständiger Modulationsabfolgen die Anzahl der Umdrehungen und/oder die Umdrehungsfrequenz des drehbaren Objekts ermitteln.
Die Auswerteeinheit kann insbesondere dazu ausgelegt sein, von den Detektoren gelieferte Signalimpulse zu akkumulieren. Das heißt, dass die von den Detektoren gelieferten Signalimpulse in der Auswerteeinheit fortlaufend summiert werden. Die Signalimpulse werden von den Detektoren beispielsweise immer dann erzeugt, wenn diese eine Signalflanke oder einen Bezugspegeldurchgang detektiert haben. Die Auswerteeinheit kann so programmiert sein, dass sie ein Signal für eine unerlaubte Toleranzwertüberschreitung generiert, wenn die akkumulierte Summe der von den Detektoren gelieferten Signalimpulse einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Die Detektoren eines als erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildeten Positionssensors sind vorteilhaft dazu in der Lage, in Abhängigkeit von der detektierten Strahlung optische und/oder elektrische Messsignale zu erzeugen. Dazu bieten sich beispielsweise optoelektronische Detektoren an, welche die detektierte Strahlung in entsprechende elektrische Signale umsetzt, die zur weiteren Auswertung an die elektronische Auswerteeinheit weitergeleitet werden. Um die Strahlung aus der Strahlungsquelle möglichst optimal auszunutzen, können im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor optische Mittel zum Bündeln und/oder Streuen der Strahlung vorhanden sein, wie z.B. Sammellinsen oder Streulinsen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe ferner gelöst durch ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts, mindestens umfassend die folgenden Schritte:

■ zeitgleiches Modulieren einer auf eine Mehrzahl von Detektoren gerichteten und von mindestens einer optischen Strahlungsquelle erzeugten Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts, wobei eine auf einen ersten der Detektoren gerichtete Strahlung unterschiedlich moduliert wird als eine auf einen zweiten der Detektoren gerichtete Strahlung;
■ Auswerten von von den Detektoren gelieferten Messsignalen durch eine Auswerteeinheit, wobei
■ das zeitgleiche Modulieren mittels ungleichmäßig verteilter Modulationsmittel an einem mit dem drehbaren Objekt gekoppelten Initiatorrad erfolgt, die während einer Rotationsbewegung des Initiatorrads über eine bestimmte Drehwinkelposition und/oder über eine vollständige Umdrehung des Initiatorrads unterschiedliche und ungleichmäßige Signalverläufe der von den Detektoren gelieferten Messsignale verursachen, die mit der Drehwinkelposition des Initiatorrads derart korreliert sind, dass aus Signalmustern der ungleichmäßigen Signalverläufe der von den Detektoren gelieferten Messsignale die Drehwinkelposition und/oder eine Drehrichtung des drehbaren Objekts ermittelbar sind, und wobei
■ eine vorgegebene Toleranzgrenzen überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts erfasst wird und eine Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen dabei auf ein oder mehrere Zeitfenster beschränkt wird, sodass das drehbare Objekt zur Einhaltung definierter Bedingungen des Stillstands nur innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen und innerhalb vorgegebener Zeiten eine Rotationsbewegung vollziehen darf.

Wenn als Stillstand eines drehbaren Objekts die Einhaltung einer definierten Drehwinkelposition des drehbaren Objekts definiert wird, muss das drehbare Objekt seine Drehwinkelposition auch innerhalb vorgegebenen Toleranzen einhalten, um dem definierten Zustand des Stillstands zu entsprechen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher

■ die von den Detektoren gelieferten Messsignale akkumuliert;
■ die Summe der akkumulierten Messsignale mit einem vorgegebene Schwellwert vergleichen; und
■ ein Signal generiert, wenn der vorgegebenen Schwellwert überschritten ist.

Dabei werden die von den Detektoren gelieferten Signalimpulse sukzessive summiert. Dadurch können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Erschütterungen oder temporäre Störsignale von Systemkomponenten, die zu Fehlinterpretationen bezüglich der Drehwinkelposition bzw. des Stillstands des drehbaren Objekts führen können, besser erkannt werden und bei der Drehwinkelpositionsüberwachung unberücksichtigt bleiben. Die Signalimpulse können von den Detektoren beispielsweise immer dann erzeugt werden, wenn diese eine Signalflanke oder einen Bezugspegeldurchgang detektiert haben, der bei Drehung des Initiatorrads bzw. bei einer Bewegung des drehbaren Objekts verursacht wird. Die Auswerteeinheit ist vorteilhaft so programmiert, dass sie ein Signal für eine unerlaubte Toleranzwertüberschreitung generiert, wenn die akkumulierte Summe der von den Detektoren gelieferten Signalimpulse einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Auswertung der Messsignale das Erfassen einer Korrelation zwischen den von den Detektoren gelieferten Messsignalen bzw. der Modulationsabfolge des Initiatorrads und dem Drehwinkel des drehbaren Objekts. Ferner kann zum Auswerten der Messsignale ein Amplitudenvergleich oder ein Schwellwertvergleich zwischen den von den Detektoren gelieferten Messsignalen und zuvor erfassten oder gespeicherten Messsignalen oder vorgegebenen Schwellwerten durchgeführt werden. Dabei können die Signalverläufe der von den Detektoren gelieferten Messsignale mit einer gespeicherten Modulationsabfolge oder deren Amplituden mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen werden.
Zusätzlich kann die Auswertung der Messsignale das Erfassen und Speichern wiederkehrender Signalmuster in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen bzw. Modulationsabfolgen umfassen. Insbesondere bei vollständigen Umdrehungen des drehbaren Objekts können wiederkehrende Signalmuster in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen auch dem Drehwinkel des drehbaren Objekts zugeordnet werden, so dass eine Korrelation zwischen den wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen und dem Drehwinkel des drehbaren Objekts erzeugt wird. Anhand dieser Korrelation kann aus den von den Detektoren gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Signalmustern bzw. wiederkehrenden Modulationsabfolgen der Drehwinkel des drehbaren Objekts ermittelt werden.
Aufgrund der versetzten Anordnung der Detektoren in Bezug auf die Modulationsstruktur des Initiatorrads ergibt sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung des drehbaren Objekts eine unterschiedliche Abfolge der Modulationen in den Strahlengängen zu den verschiedenen Detektoren. Daraus lassen sich Schlussfolgerungen für die Drehrichtung des drehbaren Objekts entnehmen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Erfassung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts; und
2 ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines Beispiels der zeitlichen Signalverläufe von Messsignalen, die von Detektoren des in 1 gezeigten Positionssensors erfasst wurden.

1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. einen Positionssensor zur Überwachung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands drehbarer Objekte, wie z.B. Wellen oder Achsen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein sicherheitsgerichteter, aktiver, optischer Positionssensor zur Überwachung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands einer rotierenden Welle 1 eingesetzt.
In dieser Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Positionssensor im Wesentlichen zwei Strahlungsquellen 2, zwei Detektoren 3 sowie ein Initiatorrad 5, das so angeordnet ist, dass es jeweils in die Strahlengänge 4 zwischen den Strahlungsquellen 2 und den Detektoren 3 hineinragt. Jedem Detektor 3 ist somit jeweils eine Strahlungsquelle 2 zugeordnet, so dass zwei Strahlungsquellen bzw. Geber/Detektor-Paar vorliegen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass nur eine Strahlungsquelle 2 die Lichtquelle für zwei oder mehr Detektoren 3 darstellt. Wichtig ist dabei, dass zu den verschiedenen Detektoren 3 getrennte Strahlengänge 4 entstehen, die unabhängig voneinander und unterschiedlich moduliert werden können.
Das Initiatorrad 5 ist mit dem zu überwachenden Objekt, d.h. mit der drehbaren Welle 1, gekoppelt und vollzieht dadurch die gleichen Drehbewegungen wie die Welle 1, was durch den Doppelpfeil in 1 angedeutet ist. Wenn sich also die Welle 1 beispielsweise um einen Drehwinkel α dreht, vollzieht das Initiatorrad 5 die gleiche Drehbewegung um den Drehwinkel α. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Initiatorrad 5 eine zahnkranzförmige Modulationsstruktur auf, die über den äußeren Umfangsrand des Initiatorrads 5 in einer bestimmten Anordnung verteilt ist.
Die Modulationsstruktur des Initiatorrads 5 umfasst in dieser Ausführungsform sowohl Aussparungen 7 als auch Erhebungen 6, die über die benachbarten Aussparungen 7 in radialer Richtung hervorstehen. Wenn das Initiatorrad 5 durch eine Rotationsbewegung der Welle 1 in eine Drehung versetzt wird, geraten abwechselnd Aussparungen 7 oder Erhebungen 6 am Umfangsrand des Initiatorrads 5 in den einen oder anderen Strahlengang 4. Auf diese Weise moduliert das Initiatorrad 5 sowohl den Strahlengang 4, der auf den ersten Detektor 3 gerichtet ist, als auch den Strahlengang 4, der auf den zweiten Detektor 3 gerichtet ist.
Dadurch können die Strahlen 4 der Strahlungsquellen 2 je nach der Drehwinkelposition der Welle 1, und damit des Initiatorrads 5, entweder durch eine transmissive Einbuchtung 7 passieren oder durch eine abschattende Ausbuchtung 6 beeinflusst werden. Dabei wird je nach der Drehwinkelposition der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 entweder die Strahlung 4 durch eine abschattende Ausbuchtung 6 zumindest teilweise abgeschattet oder die Strahlung 4 kann durch eine transmissive Einbuchtung 7 entsprechend passieren und ungehindert auf den jeweiligen Detektor 3 treffen. Die Detektoren 3 erfassen somit entweder eine abgeschattete oder eine nicht abgeschattete Strahlung 4 je nach der Drehwinkelposition der Welle 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung moduliert das Initiatorrad 5 die auf den einen Detektor 3 gerichtete Strahlung 4 unterschiedlich als die auf den anderen Detektor 3 gerichtete Strahlung 4. Diese unterschiedliche Modulation der Strahlengänge 4 zu den Detektoren 3 bewirkt beispielsweise bei einer Rotation der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 eine abwechselnde Abschattung der von den Strahlungsquellen 2 erzeugten Strahlung 4, die auf die beiden Detektoren 3 gerichtet ist. Eine bezüglich der Strahlengänge 4 zu den Detektoren 3 unterschiedliche Modulation des Initiatorrads 5 wird beispielsweise erreicht, indem die Detektoren 3 in Bezug auf die Verteilung der Aussparungen 6 und Erhebungen 7 der zahnkranzförmigen Modulationsstruktur 6, 7 des Initiatorrads 5 versetzt angeordnet sind.
Das heißt, dass die Detektoren 3 in Bezug auf die Modulationsstruktur 6, 7 des Initiatorrads 5 vorzugsweise so angeordnet sind, dass die Detektoren 3 in einer bestimmten Drehwinkelposition der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 nicht gleichzeitig einen Übergang von einer abgeschatteten Strahlung 4 zu einer nicht abgeschatteten Strahlung 4 erfassen und auch nicht gleichzeitig einen Übergang von einer nicht abgeschatteten Strahlung 4 zu einer abgeschatteten Strahlung 4 erfassen. Ferner können die Detektoren 3 in Bezug auf die Modulationsstruktur 6, 7 des Initiatorrads 5 so angeordnet sein, dass sie in einer bestimmten Drehwinkelposition der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 nicht gleichzeitig eine abgeschattete Strahlung 4 erfassen und auch nicht gleichzeitig eine nicht abgeschattete Strahlung 4 erfassen.
Die Modulationsstruktur 6, 7 des Initiatorrads 5 ist derart gestaltet, dass eine unterschiedliche Modulation bezüglich der Strahlengänge 4 zu den Detektoren 3 erreicht wird. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Verteilung der Aussparungen 6 und der radial hervorstehenden Erhebungen 7 auf dem Umfangsrand des Initiatorrads 5 erfolgen. Dadurch kann während der Rotationsbewegung über eine bestimmte Drehwinkelposition oder über eine vollständige Umdrehung der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 von den Detektoren 3 jeweils eine bestimmte Modulationsabfolge der Strahlengänge 4 erfasst werden. Diese Modulationsabfolge bewirkt ein bestimmtes Signalmuster in den von den Detektoren 3 erfassten Messsignalen.
Aufgrund der Tatsache, dass die Modulationsabfolge für die Strahlengänge 4 durch das Initiatorrad 5 bei einer Rotationsbewegung über eine bestimmte Drehwinkelposition oder über eine vollständige Umdrehung der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 gleichbleibend ist, können aus wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren 3 erfassten Messsignalen beispielsweise vollständige Umdrehungen der Welle 1 ermittelt werden.
Durch eine Korrelation bestimmter Drehwinkelpositionen der Welle 1 kann dann aus wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren 3 erfassten Messsignalen der entsprechende Drehwinkel α und/oder die entsprechende Drehwinkelposition der Welle 1 ermittelt werden. Da je nach Drehwinkelposition der Welle 1 bzw. des Initiatorrads 5 eine unterschiedliche Modulation der Strahlung 4 von den Detektoren erfasst wird, können daraus weitere Rotationsparameter, wie z.B. die Umdrehungszahl, die Drehfrequenz und/oder die Drehwinkelposition des rotierenden Objekts 1 ermittelt werden.
Die Detektoren 3 umfassen beispielsweise eine Anzahl von Photozellen, welche die einfallenden Strahlen 4 detektieren, wie z.B. optoelektronische Detektoren, welche die Intensität der Strahlung 4 in entsprechende elektrische Signale umsetzen. Ferner können in den Strahlengängen 4 eine oder mehrere optische Mittel vorhanden sein, wie z.B. Sammellinsen oder Streulinsen, um den Strahlengang 4 jeweils optimal auf den Detektor 3 zu fokussieren. Zur weiteren Auswertung werden die von den Detektoren 3 erzeugten elektrischen Messsignale über Signalleitungen 8 an eine elektronische Auswerteeinheit 9 weitergeleitet.
Die Auswerteeinheit 9 umfasst vorzugsweise mindestens eine Schnittstelle P zur Eingabe von Parametern für den Betrieb des Positionssensors und/oder für die Auswertung der von den Detektoren 3 gelieferten Messsignale. Die Auswerteeinheit 9 umfasst ferner elektronische Mittel, um die Auswertung der von den Detektoren 3 gelieferten Messsignale zu bewerkstelligen. Dazu kann eine elektronische, analoge oder digitale, Auswerteeinheit 9 vorgesehen sein, mit der beispielsweise auch eine einstellbare, parametrierbare oder eine fest vorgegebene Hysterese der Sensorik eingestellt werden kann.
Die Auswerteeinheit 9 erfasst zudem Bewegungen des drehbaren Objekts 1, die vorgegebene Toleranzgrenzen T_o , T_u überschreiten. Dazu kann die Auswerteeinheit 9 beispielsweise eine Drehwinkel-Sollposition (α_soll) für das drehbare Objekt 1 mit der Drehwinkel-Istposition (α_ist) des drehbaren Objekts 1 vergleichen. Wenn die Differenz (α_soll-α_ist) zwischen der Drehwinkel-Sollposition (α_soll) und der Drehwinkel-Istposition (α_ist) einen vorgegebenen Referenzwert (Δα_plus, Δα_minus) als Toleranzgrenze T_o , T_u überschreitet, so kann die Auswerteeinheit 9 eine unzulässige Bereichsüberschreitung der Drehwinkel-Istposition(α_ist) des drehbaren Objekts 1 anzeigen.
Zusätzlich beschränkt die Auswerteeinheit 9 die Betrachtung der Überschreitung von Toleranzgrenzen T_o , T_u auch auf eine Anzahl von Zeitfenstern, um eine definierte Drift in der Position des drehbaren Objekts 1 zuzulassen, die beispielsweise durch irrelevante Bewegungen oder Erschütterungen bedingt ist. So wird die vorliegende Erfindung auch zur Überwachung des Stillstands eines drehbaren Objekts 1 eingesetzt, wobei das drehbare Objekt 1 nur innerhalb vorgegebener Grenzwerte und innerhalb vorgegebener Zeiten eine Rotationsbewegung vollziehen darf, um definierte Bedingungen des Stillstands einzuhalten.
2 zeigt ein Diagramm zur schematischen Darstellung eines Beispiels der zeitlichen Verläufe von Messsignalen, die von Detektoren 3 beispielsweise der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionssensors erfasst wurden. Das Diagramm zeigt jeweils den zeitlichen Verlauf der Amplituden A mehrerer von Detektoren 3 erfasster Messsignale, die während einer Bewegung des drehbaren Objekts 1 detektiert wurden. Das Bezugszeichen S₁ bezeichnet den Signalverlauf eines Messsignals, das von einem ersten Detektor 3 erzeugt wird, und das Bezugszeichen S₂ bezeichnet den Signalverlauf eines Messsignals, das von einem zweiten Detektor 3 erzeugt wird.
In 2 ist zu erkennen, dass die Signalverläufe S₁ und S₂ der von den Detektoren 3 gelieferten Messsignale einen rechteckförmigen Verlauf haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Signalflanke beispielsweise dann entsteht, wenn der betreffende Detektor 3 einen Bezugspegeldurchgang oder einen Übergang des Initiatorrads 5 von einer abgeschatteten Strahlung 4 zu einer nicht abgeschatteten Strahlung 4 erfasst hat oder umgekehrt. Wenn die zahnkranzförmige Modulationsstruktur des Initiatorrads 5 eine ungleichmäßige Verteilung der Aussparungen 6 und Erhebungen 7 aufweist, ergeben sich auch bei konstanter Drehung des Initiatorrads 5 ungleichmäßige Signalverläufe S₁ und S₂ der Messsignale von den Detektoren 3. Aufgrund dieser ungleichmäßigen Signalverläufe S₁ und S₂ kann auf die Drehrichtung des Initiatorrads 5 geschlossen werden.
Die in 2 dargestellten Signalverläufe S₁ und S₂ können auch akkumuliert werden, wobei die von den Detektoren 3 gelieferten Messimpulse in den Signalverläufen S₁ und S₂ im Laufe eines bestimmten Beobachtungszeitraums summiert werden. Solche Signalimpulse werden von den Detektoren 3 beispielsweise immer dann erzeugt, wenn eine Signalflanke oder ein Bezugspegeldurchgang detektiert wurde, d.h. wenn durch eine Bewegung des drehbaren Objekts 1 bzw. des Initiatorrads 5 ein Übergang von einer abgeschatteten Strahlung 4 zu einer nicht abgeschatteten Strahlung 4 erfasst wurde oder umgekehrt. In 2 ist ein solcher akkumulierter Signalverlauf x gezeigt, der die Summe der von den Detektoren 3 gelieferten Messimpulsen in den Signalverläufen S₁ und S₂ darstellt.
Während die beiden oberen Signalverläufe S₁ und S₂ jeweils die Amplituden der von den Detektoren 3 erfassten Messsignale darstellen, zeigt der untere Signalverlauf x die Summe der beiden Signalverläufe S₁ und S₂ . Dabei steigt der Pegel des Summensignals x immer dann weiter an, wenn einer der beiden Signalverläufe S₁ und S₂ der von den Detektoren 3 erfassten Messsignale eine Signalflanke aufweist. Da jede Signalflanke in den Amplituden der von den Detektoren 3 erfassten Messsignale auf eine Bewegung des drehbaren Objekts 1 hinweist, kann die Summe der von den Detektoren 3 erfassten Messsignale als die zeitlich integrierte Gesamtbewegung des drehbaren Objekts 1 über einen bestimmten oder unbestimmten Zeitraum angesehen werden.
Der aus den beiden Signalverläufen S₁ und S₂ generierte Signalverlauf x kann sowohl inkrementell als auch dekrementell erzeugt werden. Das heißt, dass bei umgekehrter Drehrichtung des Initiatorrads 5 bzw. des drehbaren Objekts 1 die Messimpulse in den Signalverläufen S₁ und S₂ vom akkumulierten Summensignal x subtrahiert werden, so dass die Amplitude des Summensignals x abnimmt (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann der aus den Signalverläufen S₁ und S₂ generierte Summensignalverlauf x einen sowohl eine inkrementell zunehmenden als auch dekrementell abnehmenden Verlauf haben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl eine obere Toleranzgrenze T_o als auch eine untere Toleranzgrenze T_u für den Bewegungsspielraum des drehbaren Objekts 1 vorgegebenen. Das heißt, dass die Amplitude des aus den Signalverläufen S₁ und S₂ akkumulierten Summensignals x die Toleranzgrenzen T_o und T_u nicht überschreiten darf, damit das drehbare Objekt 1 den definierten Zustand des Stillstands nicht verlässt. Zusätzlich oder alternativ kann für die Einhaltung des Stillstands des drehbaren Objekts auch die Bedingung gelten, dass die Frequenz eines bestimmten Messsignals oder die Amplitude mehrerer Messsignale eine bestimmte Toleranzgrenze T_o , T_u nicht überschreiten darf, damit das drehbare Objekt 1 den definierten Zustand des Stillstands nicht verlässt.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel steigt die Amplitude A des aus den Signalverläufen S₁ und S₂ akkumulierten Signalverlaufs x im Laufe der Zeitachse t inkrementell an und überschreitet zu einem Zeitpunkt t_s die obere Toleranzgrenze T_o , was bedeutet, dass das drehbare Objekt 1 den definierten Zustand des Stillstands verlassen hat. Die Auswerteeinheit 9 kann so ausgelegt sein, dass sie ein Signal für eine unerlaubte Toleranzwertüberschreitung generiert, wenn eines der Messsignale und/oder die akkumulierte Summe x der von den Detektoren 3 gelieferten Signalimpulse einen oder beide der vorgegebenen Schwellwerte überschreitet.
Bezugszeichenliste

1: drehbares Objekt bzw. rotierende Welle
2: Strahlungsquellen bzw. Geber
3: Detektoren
4: Strahlengang der durch die Strahlungsquelle erzeugten Lichtstrahlen
5: Initiatorrad
6: Ausbuchtung am Umfangsrand des Initiatorrads 5
7: Einbuchtung am Umfangsrand des Initiatorrads 5
8: Signalleitungen
9: Auswerteeinheit
α: Drehwinkel des drehbaren Objekts bzw. der rotierende Welle 1
A: Amplitude der von den Detektoren erzeugten Messsignale
P: Parametereingabe in die Auswerteeinheit 9
S₁: Signalverlauf des Messsignals von einem ersten Detektor
S₂: Signalverlauf des Messsignals von einem zweiten Detektor
T_u: untere Toleranzgrenze
t_s: Zeitpunkt der Überschreitung der oberen Toleranzgrenze T_o
t: Zeitachse
x: aus den Signalverläufen S₁ und S₂ akkumulierter Signalverlauf

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung einer Drehwinkelposition und/oder eines Stillstands eines drehbaren Objekts (1) umfassend mindestens eine optische Strahlungsquelle (2), eine Mehrzahl von Detektoren (3), eine Auswerteeinheit (9) zur Auswertung der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale sowie ein mit dem drehbaren Objekt (1) gekoppeltes Initiatorrad (5), das im Strahlengang (4) zwischen der mindestens einen optischen Strahlungsquelle (2) und den Detektoren (3) angeordnet ist und eine von der mindestens einen optischen Strahlungsquelle (2) erzeugte Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des zu überwachenden Objekts (1) moduliert, wobei das Initiatorrad (5) eine auf einen ersten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts (1) unterschiedlich moduliert als eine auf einen zweiten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung, wobei das Initiatorrad (5) ungleichmäßig verteilte Modulationsmittel (6, 7) aufweist, die während einer Rotationsbewegung des Initiatorrads (5) über eine bestimmte Drehwinkelposition und/oder über eine vollständige Umdrehung des Initiatorrads (5) unterschiedliche und ungleichmäßige Signalverläufe (S₁, S₂) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale verursachen, die mit der Drehwinkelposition des Initiatorrads (5) derart korreliert sind, dass aus Signalmustern der ungleichmäßigen Signalverläufe (S₁, S₂) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale die Drehwinkelposition und/oder eine Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, eine vorgegebene Toleranzgrenzen (T_o, T_u) überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts (1) zu erfassen und eine Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen (T_o, T_u) dabei auf ein oder mehrere Zeitfenster zu beschränken, sodass eine Rotationsbewegung des drehbaren Objekts (1) zur Einhaltung definierter Bedingungen des Stillstands nur innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen (T_o, T_u) und innerhalb vorgegebener Zeiten erfolgen darf.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, zwischen den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen und zuvor erfassten oder gespeicherten Messsignalen einen Amplitudenvergleich durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, die von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale mit vorgegebenen Schwellwerten zu vergleichen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, von den Detektoren (3) gelieferte Signalimpulse zu akkumulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, ein Signal für eine unerlaubte Überschreitung einer Toleranzgrenze (T_o, T_u) zu generieren, wenn eine akkumulierte Summe (x) der von den Detektoren (3) gelieferten Signalimpulse einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, bei vollständigen Umdrehungen des drehbaren Objekts (1) wiederkehrende Signalverläufe (S₁, S₂) in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen zu erfassen und zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, von den Detektoren (3) gelieferte Messsignale mit gespeicherten Signalmustern der Signalverläufe (S₁, S₂), Modulationsabfolgen des Initiatorrads (5) und/oder mit vorgegebenen Referenzwerten zu vergleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, bei vollständigen Umdrehungen des drehbaren Objekts (1) wiederkehrende Signalmuster in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen einem Drehwinkel (α) des drehbaren Objekts (1) zuzuordnen, so dass eine Korrelation zwischen den wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen bzw. zwischen einer Modulationsabfolge des Initiatorrads (5) und dem Drehwinkel (α) des drehbaren Objekts (1) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, aus den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen den Drehwinkel (α) und/oder die Drehwinkelposition des drehbaren Objekts (1) zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) dazu ausgebildet ist, aus den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Modulationsabfolgen und/oder durch Vergleich mit gespeicherten Signalmustern die Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Positionssensor ist, wobei die Auswerteeinheit (9) eine Schnittstelle (P) aufweist zur Eingabe von Parametern für den Betrieb des Positionssensors und/oder für die Auswertung der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektoren (3) dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit von einer detektierten Strahlung optische und/oder elektrische Messsignale zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Strahlengang (4) zwischen der mindestens einen optischen Strahlungsquelle (2) und den Detektoren (3) optische Mittel zum Bündeln und/oder Streuen der Strahlung vorhanden sind.
Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Drehwinkelposition und/oder des Stillstands eines drehbaren Objekts (1), mindestens umfassend die folgenden Schritte: ■ zeitgleiches Modulieren einer auf eine Mehrzahl von Detektoren (3) gerichteten und von mindestens einer optischen Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des drehbaren Objekts (1), wobei eine auf einen ersten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung unterschiedlich moduliert wird als eine auf einen zweiten der Detektoren (3) gerichtete Strahlung; und ■ Auswerten von von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch eine Auswerteeinheit (9), wobei ■ das zeitgleiche Modulieren mittels ungleichmäßig verteilter Modulationsmittel (6, 7) an einem mit dem drehbaren Objekt (1) gekoppelten Initiatorrad (5) erfolgt, die während einer Rotationsbewegung des Initiatorrads (5) über eine bestimmte Drehwinkelposition und/oder über eine vollständige Umdrehung des Initiatorrads (5) unterschiedliche und ungleichmäßige Signalverläufe (S₁, S₂) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale verursachen, die mit der Drehwinkelposition des Initiatorrads (5) derart korreliert sind, dass aus Signalmustern der ungleichmäßigen Signalverläufe (S₁, S₂) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale die Drehwinkelposition und/oder eine Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Toleranzgrenzen (T_o, T_u) überschreitende Bewegung des drehbaren Objekts (1) erfasst wird und eine Betrachtung der Überschreitung der Toleranzgrenzen (T_o, T_u) dabei auf ein oder mehrere Zeitfenster beschränkt wird, sodass das drehbare Objekt (1) zur Einhaltung definierter Bedingungen des Stillstands nur innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen (T_o, T_u) und innerhalb vorgegebener Zeiten eine Rotationsbewegung vollziehen darf.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend: ■ Akkumulieren der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale zur Erzeugung eines akkumulierten Messsignals (x); ■ Vergleichen des akkumulierten Messsignals (x) mit einem vorgegebenen Schwellwert; und ■ Generieren eines Signals, wenn der vorgegebene Schwellwert überschritten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, dass wiederkehrende Signalverläufe (S₁, S₂) in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, dass zwischen den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen und zuvor erfassten oder gespeicherten Messsignalen ein Amplitudenvergleich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, die von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale mit vorgegebenen Schwellwerten zu vergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, bei vollständigen Umdrehungen des drehbaren Objekts (1) wiederkehrende Signalmuster in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen zu erfassen und zu speichern.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, von den Detektoren (3) gelieferte Messsignale mit gespeicherten Signalmustern und/oder mit vorgegebenen Referenzwerten zu vergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei aus einer Abfolge von Signalmustern in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen die Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Akkumulieren der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignale derart erfolgt, dass Messimpulse in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen in Abhängigkeit von der Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) entweder zum akkumulierten Messsignal (x) inkrementell addiert werden, so dass die Amplitude des akkumulierten Messsignals (x) zunimmt, oder vom akkumulierten Messsignal (x) dekrementell subtrahiert werden, so dass die Amplitude des akkumulierten Messsignals (x) abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, bei vollständigen Umdrehungen des drehbaren Objekts (1) wiederkehrende Signalmuster in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen einem Drehwinkel (α) des drehbaren Objekts (1) zuzuordnen, so dass eine Korrelation zwischen den wiederkehrenden Signalmustern in den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen und dem Drehwinkel (α) des drehbaren Objekts (1) erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, aus den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Signalverläufen (S₁, S₂) der von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen den Drehwinkel (α) und/oder die Drehwinkelposition des drehbaren Objekts (1) zu ermitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, aus den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch Zählen wiederkehrender Signalverläufe (S₁, S₂) in den von den Detektoren gelieferten Messsignalen bzw. durch Zählen vollständiger Modulationsabfolgen die Anzahl der Umdrehungen und/oder die Umdrehungsfrequenz des drehbaren Objekts (1) zu ermitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei das Auswerten der Messsignale ferner umfasst, aus den von den Detektoren (3) gelieferten Messsignalen durch Vergleich mit wiederkehrenden Modulationsabfolgen und/oder durch Vergleich mit gespeicherten Signalmustern die Drehrichtung des drehbaren Objekts (1) zu ermitteln.