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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle, die eine drehfest hierauf angeordnete Scheibe aufweist, an deren Umfangsfläche mindestens ein Magnetelement angebracht ist, dass mit mindestens einem dem gegenüber ortsfest installierten ersten induktiven Wegsensor zur Ermittlung der Winkelstellung der Welle zusammenwirkt. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Lagereglereinheit im Rahmen eines Stell- oder Regelantriebes, welche eine solche Sensoranordnung umfasst.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf elektropneumatische oder rein elektrische Lagereglereinheiten für Stell- oder Regelantriebe. Für die Messung einer Winkelstellung einer Welle wird gewöhnlich eine kontaktlose Messung eingesetzt, um einen Verschleiß von sich relativ zueinander bewegenden Teilen der Sensoranordnung zu vermeiden.
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Um die Winkelstellung einer Welle kontaktlos zu erfassen, also ohne einen mechanischen Abgriff durchzuführen, wird gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik entweder ein Permanentmagnet auf der Stirnseite der Welle angebracht und die Richtung des Magnetfelds ermittelt; nach einer anderen allgemein bekannten technischen Lösung wird ein Magnetring mit mehreren Magnetsegmenten entlang des Umfangs der Welle befestigt, wobei die Lage innerhalb eines Magnetsegments und der Übergang von einem Magnetsegment zum nächsten festgestellt und dann inkrementell gezählt wird, um einen 360°-Messbereich zu erzielen.
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Aus der
DE 44 15 686 A1 geht eine andere technische Lösung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle hervor. Hierbei ist die Welle sowohl axial verschiebbar als auch drehbar gelagert und kann definierte axiale Stellungen und Winkelstellung einnehmen. Parallel zur Welle ist ein Wegsensor angeordnet, der mit einem wellenseitig befestigten Permanentmagneten zusammenwirkt. Der spezielle Permanentmagnet wird dabei derart am Umfang der Welle befestigt, dass dieser mit seiner Längsrichtung längs einer Schraubenlinien verläuft, so dass sowohl die axiale Verschiebung der Welle als auch deren Drehung unterschiedliche Positionen des für den Wegsensor wirksamen Teils des Permanentmagneten ergeben.
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Die bei den meisten technischen Lösungen zur kontaktlosen Ermittlung einer Winkelstellung zum Einsatz kommenden magnetoresistiven Wegsensoren besitzen im Prinzip eine Auflösung, welche nur durch den Analog-Digital-Wandler und das Boltzmann-Rauschen begrenzt wird. Allerdings weisen diese Sensoren das Problem auf, dass die Lage des Magnetfelds sinusartig auf eine Widerstandsänderung umgesetzt wird. Im Bereich von Abflachungen werden die Auflösungsgrenzen schnell erreicht. Eine relative Verbesserung wird nur einen zweiten um 45° gegenüber dem ersten Sensor gedrehten Sensor erzielt, was 90° der Sinusfunktion entspricht. Durch Signalbearbeitung der durch beide Sensoren gewonnenen Messsignale anhand trigonometrischer Funktionen kann ein über 180° lineares Signal erzeugt werden. Für die Erfassung der aktuellen Winkelstellung entlang eines Vollkreises, also für 360°, werden allerdings weitere Sensoren benötigt.
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Die trigonometrischen Algorithmen haben hohe Anforderungen an die mechanischen Toleranzen und die elektrischen Toleranzen der Sensoranordnung in Bezug auf Typstreuung, Temperaturdrift und dergleichen. Hierdurch reduziert sich die Messwertauflösung für nur einen Permanentmagneten auf maximal 14 Bit.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle zu schaffen, welche unter Einsatz weniger sensortechnischer Bauteile ein genaues Messergebnis liefert.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre, dass die Achse der Scheibe winkelversetzt gegenüber der Achse der Welle positioniert ist, so dass die insoweit schiefgestellte Scheibe einer Rotation der Welle in eine axial alternierende Translation umwandelt, die vom Messbereich des den Vektor des Magnetfeldes messenden ersten induktiven Wegsensors erfassbar ist, woraus eine nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit die aktuelle Winkelstellung berechnet. Besonders wirksam sind dabei diejenigen Umfangspunkte der Scheibe, die den maximalen axialen Hub liefern.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich der Bauteileaufwand für die optimal zwei Wegsensoren im Zusammenwirken mit der schiefgestellten Scheiben angesichts des großen hiermit realisierbaren Messbereichs von bis 360° gering ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine hohe Messwertauflösung realisieren und es werden zudem geringe Anforderungen an Bauteiltoleranzen gestellt.
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Vorteilhafterweise lässt sich durch den Grad der Schiefstellung der Scheibe gegenüber der Welle der beim Wegsensor auszunutzende Messbereich einstellen. Mit anderen Worten kann durch eine Auswahl der geeigneten Steigung der Scheibe eine Anpassung an den vorgegebenen Messbereich des Wegsensors vorgenommen werden. Da das Magnetfeld durch das Schiefstellen der Scheibe translatorisch am induktiven Wegsensor vorbeiwandert, kann über die Länge des Wegsensors und die Geometrie sowie die Schiefstellung der Scheibe Einfluss auf die Auflösung des Messsignals genommen werden. Denn je länger der Messbereich eines hochauflösenden Wegsensors ist, desto präziser lässt sich in der Regel hieraus die aktuelle Winkelstellung der Welle ableiten. Somit sollte der Grad der Schiefstellung der Scheibe gegenüber der Welle so gewählt werden, dass der mindestens eine induktive Wegsensor einerseits einen maximalen Signalhub ausnutzt und andererseits auch ein möglichst linearer Signalverlauf erzeugbar ist. Dies ist zumindest in einem Bereich von +/–45° sichergestellt.
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Gemäß eine die Erfindung im Hinblick auf einen durch die erfindungsgemäße Lösung abdeckbaren Messbereich von 360° verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, um 90° in Umfangsrichtung versetzt zu dem ersten induktiven Wegsensor einen zweiten induktiven Wegsensor vorzusehen. Vorteilhafterweise wird also durch Hinzufügung nur eines einzigen weiteren und vorzugsweise baugleichen induktiven Wegsensors messbereichsmäßig ein Vollkreis abgedeckt, so dass jede beliebige Winkelstellung der Welle mit sensortechnisch geringem Aufwand feststellbar ist.
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Die in Schiefstellung auf der Welle befestigte Scheibe ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Allerdings kann allein durch eine andere Formgebung der Scheibe der Bereich von +/–45° auf bis zu +/–85° vergrößert werden. Hierzu ist keine weitere elektronische Sensortechnik erforderlich.
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Wenn die geometrische Lage der Wegsensoren ausreichend genau für die gewünschte Auflösung bestimmt werden kann und die beiden Wegsensoren das Magnetfeld nach einem Abgleich deckungsgleich abtasten, kann bei der Messwertverarbeitung allein durch Anwendung trigonometrischer Funktionen eine hohe Genauigkeit erreicht werden. Diese Messwertverarbeitung erfolgt vorzugsweise innerhalb einer einem Lageregler zugeordneten elektronischen Auswerteeinheit mit Mikroprozessor und mindestens einer wiederum dieser zugeordneten Speichereinheit.
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Gemäß einer hierzu alternativen Messwertverarbeitung ermittelt jeder Wegsensor die Position der Scheibe und damit der Welle und bewertet diese hinsichtlich eines definierten statistischen Vertrauensintervalls und/oder einer Zugehörigkeit zum linearen Messbereich des Wegsensors, also der Linearität. Es gilt:
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Diese alternative Messwertverarbeitung vergrößert die Lagetoleranz erheblich, so dass sich hierdurch genauere Messergebnisse erzielen lassen.
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Die erfindungsgemäß den Sensormitteln zugeordnete schräg gestellte Scheibe ist gemäß zweier bevorzugter Ausführungsformen auf der Welle drehfest befestigt. Zum Einen wird vorgeschlagen, dass die Scheibe aus einer sich nach radial außen erstreckenden Materialanformung der Welle gebildet wird. Diese Ausführungsform ist dann von Vorteil, wenn die Welle beispielsweise durch Spritzgießen urgeformt werden kann, also vorzugsweise ein Kunststoffmaterial zum Einsatz gebracht werden kann.
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Falls die Welle einer größeren Belastung unterliegt und insoweit aus einem höhenfesten Material – beispielsweise Stahl – gefertigt werden muss, so bietet es sich nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform an, die Scheibe mittels lösbarer Welle-Nabe-Verbindung an der Welle anzubringen. Hierdurch kann die Scheibe gegenüber der Welle in einfacher Weise justiert werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Scheibe auf die Welle aufzuschrumpfen, um insoweit eine feste Verbindung zwischen beiden Bauteilen herzustellen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen gehen nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht einer mit einer Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung versehenen Welle,
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2 eine schematische Frontansicht der Welle nebst Sensoranordnung gemäß 1,
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3 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Sensoranordnung, und
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4 eine grafische Darstellung der Linearisierung im Magnetelement.
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Gemäß 1 besteht eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der Winkelstellung einer – hier nur abschnittsweise dargestellten – Welle 1 im Wesentlichen aus einer drehfest hierauf angeordneten Scheibe 2 mit an der Umfangsfläche angebrachtem Magnetelement 3 in Form eines Permanentmagneten sowie einem demgegenüber ortsfest installierten ersten induktiven Wegsensor 4.
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Der induktiven Wegsensor 4 ist insbesondere aber nicht abschließend als Feldplattenanordnung, Hall-Sensor oder magnetoresistiver Sensor ausgebildet.
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Die Achse der Scheibe 2 ist gegenüber der Achse der Welle 1 mit einem spitzen Winkel von ca. 10° winkelversetzt, woraus sich eine Schiefstellung der Scheibe 2 gegenüber der Welle 1 ergibt. Der Grad dieser Schiefstellung bestimmt den wirksamen Messbereich des ersten induktiven Wegsensors 4, der in seiner Länge hierauf abgestimmt ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Magnetelement 3 auch ringförmig ausgebildet sein kann. Die Länge des Messbereichs des ersten induktiven Wegsensors 4 ist für einen Drehwinkel von +/–45° so gewählt, dass der Wegsensor 4 in seinem linearen Bereich betrieben werden kann.
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Gemäß 2 wird der vom ersten induktiven Wegsensor 4 ermittelte Messwert einer elektronischen Auswerteeinheit 5 zugeführt. Demnach wird also zunächst mechanisch durch die schiefgestellte Scheibe 2 eine Rotation der Welle 1 in eine axial alternierende Translation umgewandelt, die vom Messbereich des den Vektor des Magnetfeldes messenden ersten induktiven Wegsensors 4 erfasst wird, woraus schließlich die elektronische Auswerteeinheit 5 die aktuelle Winkelstellung durch die vorstehend erläuterte spezielle Messwertverarbeitung berechnet.
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In Umfangsrichtung versetzt zu dem ersten induktiven Wegsensor 4 ist ein zweiter induktiver Wegsensor 4' vorgesehen. Durch die Kombination beider Wegsensoren 4 und 4' kann der Winkelmessbereich der Sensoranordnung auf 360° erweitert werden.
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Hinsichtlich der in 3 veranschaulichten Funktionsweise verschiebt sich entlang des Messwegs s bei einer Drehung der Welle, die Position, an welcher der Vektor des Magnetfelds am Magnetelement 3 senkrecht zur Drehachse der Welle steht. Hierdurch verändert sich die Ausrichtung des im Wegsensor 4 wirksamen Magnetfeldes. Somit verändert sich der elektrische Widerstand des Wegsensors 4 in Abhängigkeit der Winkelstellung der – hier nicht weiter dargestellten – Welle.
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Die in 4 dargestellte Abbildung der Rotation der Welle 1 auf die Translation für den Wegesensor 4 entspricht einer Sinusfunktion 6. Mit allein dem ersten induktiven Wegsensor 4 kann somit die Winkelstellung der Welle in einem Bereich von +/–45° linear erfasst werden. Durch Hinzufügung des zweiten induktiven Wegsensors 4' – in Umfangsrichtung um 90° versetzt – wird der Messbereich auf 360° erweitert. Auch durch eine andere Formgebung der Scheibe 2 kann der messbare Winkelbereich vergrößert werden.
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Je nachdem, wie genau sich die beiden Wegsensoren 4, 4' über die Temperatur in einem gleichbleibenden Punkt treffen, reicht es gewöhnlich aus, die Position immer nur mit einem der Wegsensoren 4 oder 4' zu erfassen, bis der Winkel aus dem Messbereich dieses aktiven Wegsensors 4 bzw. 4' herausläuft.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die vorzugsweise kreisförmige Scheibe 2 vollständig aus einem Permanentmagnetmaterial herzustellen, so dass die Scheibe 2 selbst das Magnetelement repräsentiert. Alternativ hierzu ist es auch ausreichend, wenn auf die Scheibe 2 zumindest außenradial ein Permanentmagnetring oder -stück aufgebracht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Scheibe
- 3
- Magnetelement
- 4, 4'
- Wegsensor
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Sinusfunktion
- s
- Messweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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