DE102010046251A1

DE102010046251A1 - Rotational position measuring device for rotor, has magnetic sensor arranged around specified range opposite to optical code-disk sensor, and evaluation unit determining measurement for displacement of rotor from output signals of sensors

Info

Publication number: DE102010046251A1
Application number: DE102010046251A
Authority: DE
Inventors: Jan Edel
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-03-22

Abstract

The device with optical code-disk and magnetic sensors (4, 5) tangentially detecting a rotational position of a rotor (1). An evaluation unit (8) determines a rotational position angle from output signals of the optical code-disk and magnetic sensors, where the magnetic sensor is arranged around 90, 180 or 270 degrees opposite to the optical code-disk sensor moved around the rotor. The evaluation unit determines measurement for translatory displacement of the rotor from the output signals of the sensors to form a vernier arrangement for detecting angle range behind 360 degrees. The sensor is selected from a Hall-sensor and a three-dimensional Hall-sensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstellungsmessvorrichtung mit einem Rotor, mit einem ersten und einem zweiten Sensor, die beide die Drehstellung des Rotors tangential erfassen, und mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung eines Drehstellungswinkels aus den Ausgangssignalen beider Sensoren.The invention relates to a rotary position measuring device with a rotor, with a first and a second sensor, both of which detect the rotational position of the rotor tangentially, and with an evaluation device for determining a rotational position angle from the output signals of both sensors.

Eine derartige Drehstellungsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 040 150 A1 bekannt. Solche Drehstellungsmessvorrichtungen kommen bevorzugt in Kraftfahrzeugen zur Erfassung der Lenkradstellung zur Anwendung. Dabei sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, um eine redundante Erfassung des Lenkwinkels und/oder eine Lenkwinkelmessung über mehrere Umdrehungen mit Hilfe des Noniusprinzips zu ermöglichen. Es können sowohl Sensoren vorgesehen sein, die nach gleichen wie auch solche, die nach unterschiedlichen Messprinzipien funktionieren.Such a rotary position measuring device is for example from the German patent application DE 10 2005 040 150 A1 known. Such rotational position measuring devices are preferably used in motor vehicles for detecting the steering wheel position for use. In this case, at least two sensors are provided to allow a redundant detection of the steering angle and / or a steering angle measurement over several revolutions using the vernier principle. It can be provided both sensors that work the same as well as those that operate on different measurement principles.

Besonders bei Drehstellungsmessvorrichtungen, die wegen der Lagerspiele beweglicher Komponenten konstruktionsbedingt empfindlich auch für translatorische Verschiebungen des Rotors sind, ergibt sich das Problem größerer Ungenauigkeit, die es nach Möglichkeit zu kompensieren gilt. Ein Beispiel einer derartigen Drehstellungsmessvorrichtung ist aus der DE 195 06 938 A1 bekannt und besitzt Magneträder mit Hallsensorchips, die durch einen Rotor angetrieben sind, wobei der Rotor und die Magneträder unterschiedliche Lagerstellen aufweisen. Ein anderes Beispiel bilden Drehstellungsmessvorrichtungen mit einem Codescheibensensor mit fixem optischen Sensorchip auf einem Stator und mit einer Codescheibe, die direkt mit dem Rotor verbunden ist.Especially with rotary position measuring devices that are structurally sensitive due to the bearing clearance of moving components also for translational displacements of the rotor, there is the problem of greater inaccuracy, which must be compensated if possible. An example of such a rotary position measuring device is known from DE 195 06 938 A1 known and has magnetic wheels with Hall sensor chips, which are driven by a rotor, wherein the rotor and the magnetic wheels have different bearings. Another example is rotary position measuring devices with a code disk sensor with a fixed optical sensor chip on a stator and with a code disk which is connected directly to the rotor.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Drehstellungsmessvorrichtung zu schaffen, welche neben einem kostengünstigen Aufbau ein hohes Maß an Genauigkeit und funktionaler Sicherheit aufweist.It set itself the task of creating a rotary position measuring device, which in addition to a cost-effective structure has a high degree of accuracy and functional safety.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zweite Sensor um 90°, 180° oder 270° gegenüber dem ersten Sensor um den Rotor herum versetzt angeordnet ist, und dass die Auswertevorrichtung aus den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Sensors ein Maß für eine translatorische Verschiebung des Rotors ermittelt.This object is achieved in that the second sensor is offset by 90 °, 180 ° or 270 ° relative to the first sensor to the rotor around, and that the evaluation of the output signals of the first and the second sensor is a measure of a translational Displacement of the rotor determined.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft dargestellt und erläutert werden. Die 1 bis 5 zeigen skizzenhaft mehrere Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Drehstellungsmessvorrichtung.In the following, the invention will be illustrated and explained by way of example with reference to the drawing. The 1 to 5 sketchy show several embodiments of a rotary position measuring device according to the invention.

Die 1 skizziert eine Drehstellungsmessvorrichtung mit einem Rotor 1, der eine optische Codescheibe 2 mit einer optisch erfassbaren Codierung 14 aufweist, die durch einen optischen Codescheibensensor 4, ausgeführt beispielsweise durch eine PDA-Zeile, abgetastet wird. Der Rotor 1 mit der Codescheibe 2 ist um eine zentrale Drehachse 3 drehbar gelagert. Die Richtung der Drehachse 3 ist senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet und wird in dieser und den weiteren Figuren als z-Richtung bezeichnet. Die dazu senkrechten x- und y-Richtungen liegen innerhalb der Zeichnungsebene und sind durch zwei Koordinatenpfeile gekennzeichnet.The 1 outlined a rotary position measuring device with a rotor 1 , which is an optical code disk 2 with an optically detectable coding 14 by an optical code disk sensor 4 , is executed, for example, by a PDA line, is scanned. The rotor 1 with the code disk 2 is about a central axis of rotation 3 rotatably mounted. The direction of the rotation axis 3 is oriented perpendicular to the plane of the drawing and is referred to in this and the other figures as z-direction. The perpendicular x- and y-directions lie within the plane of the drawing and are marked by two coordinate arrows.

Auf der optischen Codescheibe 2 ist eine optische Codierung 14 erkennbar, die aus sich radial erstreckenden hellen und dunklen Codestreifen besteht. Der ortsfest angeordnete optische Codescheibensensor 4 ist oberhalb der Codierung 14 angeordnet und erfasst jeweils einen tangentialen Ausschnitt aus dem Streifencode und erkennt daraus die relative Drehstellung der optischen Codescheibe 2.On the optical code disk 2 is an optical coding 14 recognizable, which consists of radially extending light and dark codestrip. The stationarily arranged optical code disk sensor 4 is above the coding 14 arranged and detects each tangential section of the bar code and recognizes the relative rotational position of the optical code disc 2 ,

Der erfasste Drehstellungswert wird sowohl durch die tatsächliche und eigentlich zu erfassende Verdrehung des Rotors als auch durch seitliche Verschiebungen des Rotors bzw. der Codescheibe beeinflusst. Kommt es, etwa aufgrund einer spielbehafteten Lagerung der Codescheibe 2, zu einer Verschiebung der Drehachse 3 der Codescheibe 2 in x-Richtung, was durch einen Doppelpfeil im Zentrum der Codescheibe 2 angedeutet ist, so verschiebt sich auch die Codierung 14 unter dem optischen Codescheibensensor 4, wodurch der Codescheibensensor 4 einen fehlerbehafteten Drehwinkel erfasst. Derartige Fehler bei der Winkelmessung entstehen gewöhnlich durch Rundlauftoleranzen, zum Beispiel einer Lenksäule in einem Kraftfahrzeug, und werden auch als integrale Nichtlinearitäten bezeichnet.The detected rotational position value is influenced both by the actual and actually to be detected rotation of the rotor and by lateral displacements of the rotor or the code disk. It comes about, for example due to a game-afflicted storage of the code disk 2 , to a shift of the axis of rotation 3 the code disc 2 in the x-direction, which is indicated by a double arrow in the center of the code disk 2 is hinted at, so shifts the coding 14 under the optical code disk sensor 4 , whereby the code disk sensor 4 detected a faulty angle of rotation. Such errors in angle measurement usually result from concentricity tolerances, for example a steering column in a motor vehicle, and are also referred to as integral nonlinearities.

Zur Erläuterung des Prinzips mit den vorliegenden Beispielen von um 90° oder 270° zueinander versetzten Sensoren 4, 5, 5'', 5''' sei davon ausgegangen, dass nur die translatorischen Verschiebungen in x-Richtung bei der Messung kompensiert werden sollen und Verschiebungen in allen anderen Richtungen vernachlässigt werden können. Die Verschiebungen des Rotors 1 in der x-Richtung können z. B. in einem Kraftfahrzeug durch eine vom Fahrer über das Lenkrad eingebrachte radiale Kraft auf die Lenksäule (Drücken) oder durch die Schwerkraft des Rotors 1 in seiner Lagerung entstehen.To explain the principle with the present examples of offset by 90 ° or 270 ° to each other sensors 4 . 5 . 5 '' . 5 ''' assume that only the translational displacements in the x-direction should be compensated during the measurement and displacements in all other directions can be neglected. The shifts of the rotor 1 in the x-direction z. B. in a motor vehicle by an introduced by the driver via the steering wheel radial force on the steering column (pressing) or by the gravitational force of the rotor 1 arise in its storage.

Ersichtlich ist, dass eine Verschiebung der Codescheibe 2 in y-Richtung praktisch keine Änderung des vom optischen Codescheibensensor 4 erfassten Messwerts liefert, da sich hierdurch der Abschnitt der Codierung 14 im Erfassungsbereich des Codescheibensensors 4 nicht ändert. Konstruktionsbedingt können bei diesem Codescheibensensors 4 Verfälschungen durch Hysterese, Zahn- oder Lagerspiele ausgeschlossen oder vernachlässigt werden, sodass sich bei dieser Art Sensor nur Verschiebungen des Rotors 1 mit fixer Codescheibe 2 in der x-Richtung verfälschend auf die gemessene Drehstellung auswirken.It is evident that a shift of the code disc 2 In the y direction, virtually no change in the optical code disk sensor 4 measured value, since this causes the section of the coding 14 in the detection area of the code disk sensor 4 does not change. Due to the design of this code disk sensor 4 Falsifications due to hysteresis, tooth or bearing play are excluded or neglected, so that in this type of sensor only shifts of the rotor 1 with fixed code disc 2 In the x-direction, they have a distorting effect on the measured rotational position.

Die Kompensation des oben beschriebenen Fehlers erfolgt mittels eines zweiten Sensors 5 der in x-Richtung auf einer Linie mit dem Drehachse 3 angeordnet ist. Als zweiter Sensor kann ein weiterer optischer Sensor 5 vorgesehen sein oder auch, wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird, ein Magnetsensor 5'', 5'''. Die vom zweiten Sensor ermittelte Winkelstellung ändert sich bei einer Verschiebung der Codescheibe 2 in x-Richtung nicht.The compensation of the error described above takes place by means of a second sensor 5 the one in x-direction on a line with the axis of rotation 3 is arranged. The second sensor can be another optical sensor 5 be provided or, as will be explained in more detail below, a magnetic sensor 5 '' . 5 ''' , The angular position determined by the second sensor changes with a shift of the code disk 2 not in the x-direction.

Aus einem Vergleich der vom ersten und zweiten Sensor 4, 5 erfassten Sensordaten, kann, wenn diese nicht der erwarteten Winkeldifferenz von 90° entsprechen, eine Auswertevorrichtung 8 einen Mittenversatzfehler ermitteln und eine Kompensation der vom Codescheibensensor 4 erfassten Drehwinkelstellung vornehmen.From a comparison of the first and second sensor 4 . 5 detected sensor data, if they do not correspond to the expected angular difference of 90 °, an evaluation device 8th determine a center offset error and a compensation of the code disk sensor 4 Make detected angular position.

Eine Messung des Mittenversatzes der optischen Codescheibe 2 in x-Richtung ist auch durch zwei in y-Richtung einander gegenüberliegend angeordnete optische Codescheibensensoren 4, 5' möglich, die identisch ausgeführt sein können. Eine derartige Anordnung skizziert die 2.A measurement of the center offset of the optical code disk 2 In the x-direction is also by two in the y-direction opposite each other arranged optical code disk sensors 4 . 5 ' possible, which may be identical. Such an arrangement outlines the 2 ,

Im Falle einer Verschiebung der Drehachse 3 in positiver oder negativer x-Richtung ermittelt einer der beiden Codescheibensensoren 4 bzw. 5' einen zu kleinen Messwert für den Drehwinkel, während der andere Codescheibensensor 5' bzw. 4 einen entsprechend zu großen Wert erfasst. Die Auslenkung der Codescheibe 2 in x-Richtung kann somit durch eine Differenzbildung des Messergebnisses beider Codescheibensensoren 4, 5' bestimmt werden. Ein Messwert am gegenüberliegenden Drehsensor 5', der nicht genau 180°-Drehung bezüglich des vom ersten Codescheibensensor 4 erfassten Wert entspricht, ist ein reziproportionales Maß für eine Auslenkung der Drehachse 3 in x-Richtung und damit ein Maß für den Fehler durch einen winkelverfälschenden Mittenversatz.In case of a shift of the rotation axis 3 one of the two code disk sensors is determined in the positive or negative x-direction 4 respectively. 5 ' one too small measured value for the angle of rotation, while the other code disk sensor 5 ' respectively. 4 a correspondingly large value is recorded. The deflection of the code disk 2 In the x-direction can thus by a difference of the measurement result of both code disk sensors 4 . 5 ' be determined. A reading on the opposite rotary sensor 5 ' not exactly 180 ° rotation relative to that of the first code disk sensor 4 detected value is a reciproportional measure of a deflection of the axis of rotation 3 in the x direction and thus a measure of the error due to an angle-distorting center offset.

Um 180° versetzte Sensoren 4, 5' haben den Vorteil, dass Verschiebungen in nicht nur einer speziellen Richtung wie der x-Richtung im ersten Beispiel eindeutig aufgedeckt und kompensiert werden können. Es kann nämlich davon ausgegangen werden, dass sich Verschiebungen in beliebigen Richtungen nur mit ihrer Komponente in der gemeinsamen Messachse (im Beispiel die x-Richtung) verfälschend auswirken.180 ° offset sensors 4 . 5 ' have the advantage that shifts in not just a specific direction like the x-direction in the first example can be clearly revealed and compensated. It can be assumed that displacements in arbitrary directions have a distorting effect only with their component in the common measuring axis (in the example the x-direction).

Das in den 1 und 2 skizzierte Prinzip kann zur Erfassung von Drehwinkeln weiter optimiert werden, da in den bisher angeführten Beispielen die beiden optischen Codescheibensensoren 4, 5' bzw. 5 lediglich winkelversetzte, aber ansonsten identische Sensorsignale liefern. Die beiden Sensoren 4, 5' bzw. 5 schaffen somit zwar eine Redundanz für Winkelwerte innerhalb einer 360°-Umdrehung, gestatten aber keine Winkelerfassung über mehrere Umdrehungen.That in the 1 and 2 sketched principle can be further optimized for detecting rotation angles, since in the examples given so far, the two optical code disk sensors 4 . 5 ' respectively. 5 provide only angular offset, but otherwise identical sensor signals. The two sensors 4 . 5 ' respectively. 5 Although this provides redundancy for angle values within a 360 ° turn, it does not permit angle detection over several revolutions.

Eine Drehstellungserfassung über mehrere Umdrehungen ermöglichen die in den 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen. Diese bestehen jeweils aus einem optischen Codescheibensensor 4, zu dem im rechten Winkel ein Magnetsensor 5'' angeordnet ist. Der Magnetsensor 5'', der vorzugsweise als Hallsensor ausgebildet ist, erfasst die Position eines Magneten 10, der an einem Magnetrad 7 angeordnet ist. Das Magnetrad 7 wird durch das mit der Codescheibe 2 verbundene Antriebsrad 6 angetrieben, welches um die Drehachse 3 drehbar gelagert ist.A rotational position detection over several revolutions allow in the 3 and 4 illustrated devices. These each consist of an optical code disk sensor 4 to which at right angles a magnetic sensor 5 '' is arranged. The magnetic sensor 5 '' , which is preferably designed as a Hall sensor, detects the position of a magnet 10 that is attached to a magnet wheel 7 is arranged. The magnetic wheel 7 gets through that with the code disk 2 connected drive wheel 6 driven, which is about the axis of rotation 3 is rotatably mounted.

Der Magnetsensor 5'' misst üblicherweise mit einer geringeren Auflösung als der optische Codescheibensensor 4, ermöglicht aber eine Umdrehungszahlbestimmung nach dem Noniusprinzip. Hierzu stehen die Umdrehungszahlen des Antriebsrades 6 und der damit verbundenen optischen Codescheibe 2 einerseits, und des angetriebenen Magnetrads 7 andererseits in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander, so dass aus der relativen Stellung von Codescheibe 2 und Magnetrad 7 auf bekannte Weise eine absolute Drehstellung der Codescheibe 2 ermittelbar ist.The magnetic sensor 5 '' usually measures at a lower resolution than the optical code sensor 4 , but allows a determination of the number of revolutions according to the vernier principle. These are the number of revolutions of the drive wheel 6 and the associated optical code disk 2 on the one hand, and the driven magnet wheel 7 on the other hand, in no integer ratio to each other, so that from the relative position of code disc 2 and magnetic wheel 7 in a known manner an absolute rotational position of the code disc 2 can be determined.

Das Messergebnis für den absoluten Drehwinkel muss aufgrund des verwendeten Noniusprinzips, unter Berücksichtigung von Toleranzen, zu der Drehwinkelmessung am Magnetrad 7 passen. Können am Magnetrad 7 die Toleranzen durch Hysterese-, Lager- und Zahnspiel gegenüber einem möglichen Mittenversatz vernachlässigt werden, so kann die Differenz zwischen dem Drehwinkelwert am Magnetrad 7 und dem aus Codescheibenwinkel und Nonius gewonnenen Erwartungswert als Maß für eine Mittenversatzauslenkung angesehen werden, welche die Drehwinkelmessung per Magnetrad 7 und Magnetsensor 5'' wegen des Mittenversatzes verfälscht. Ein Mittenversatz zum Beispiel genau in y-Richtung bewirkt nämlich eine zusätzliche Verdrehung des Magnetrads 7, während der Codescheibensensor 4 keine Änderung erfasst. Dagegen bewirkt ein Mittenversatz in x-Richtung keine zusätzliche Verdrehung des Magnetrads 7, während der Codescheibensensor 4 die Änderung zu erfassen vermag. Aus der Differenz der einzelnen Messergebnisse kann unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses und der Kenntnis des Verschiebungsrichtung trigonometrisch ein Maß für die zu kompensierende Verschiebung der Drehachse 3 ermittelt werden. Der letztlich ermittelte Drehwinkelwert kann auf diese Weise hinsichtlich eines Mittenversatzes der Drehachse 3 in einer Richtung, die bekannt sein muss, fehlerbereinigt werden.The measurement result for the absolute angle of rotation must be based on the vernier principle used, taking into account tolerances, for the rotation angle measurement on the magnetic wheel 7 fit. Can on the magnetic wheel 7 The tolerances are neglected by hysteresis, bearing and backlash against a possible center offset, so the difference between the rotational angle value on the magnetic wheel 7 and the expectation value obtained from code disc angle and vernier are to be regarded as a measure of a center offset excursion, which measures the rotational angle by magnetic wheel 7 and magnetic sensor 5 '' falsified because of the center offset. A center offset, for example, exactly in the y-direction causes namely an additional rotation of the magnetic wheel 7 while the code disk sensor 4 no change recorded. In contrast, a center offset in the x direction causes no additional rotation of the magnetic wheel 7 while the code disk sensor 4 to grasp the change. From the difference of the individual measurement results can take into account the transmission ratio and the knowledge of the direction of displacement trigonometrically a measure of the displacement of the axis of rotation to be compensated 3 be determined. The ultimately determined angle of rotation value can in this way with regard to a center offset of the axis of rotation 3 in a direction that needs to be known to be error-corrected.

Wie beim Beispiel aus der 1 können auch bei den Beispielen aus 3 und 4 hier nur Verschiebungen eindeutig kompensiert werden, wenn die Verschiebungsrichtung, vorzugsweise genau die x- oder die y-Richtung, vorgegeben ist oder zusätzlich ermittelt werden kann. Verschiebungen in allen anderen Richtungen außer denen auf der Bezugsrichtung sollten bei den orthogonal zueinander angeordneten Sensorvorrichtungen also unmöglich oder vernachlässig bar gemacht sein.As in the example from the 1 can also look at the examples 3 and 4 here only shifts are clearly compensated when the displacement direction, preferably exactly the x or y direction, is predetermined or can be additionally determined. Shifts in all other directions except those in the reference direction should therefore be made impossible or negligible in the orthogonal sensor devices arranged to each other.

Die nötige Kompensation einer Drift der Drehachse 3 in einer bekannten Richtung wird also aus der Differenz der Messergebnisse der beiden Sensoren 4, 5'' bestimmt. Mit der Auslenkung der Codescheibe 2 in y-Richtung über dem Codescheibensensor 4, ergibt sich bei gleichem Messergebnis an dem Codescheibensensor 4, zunehmend ein nicht dazu passendes Messergebnis am Magnetsensor 5''. Diese Differenz ist ein Maß der erforderlichen Winkelkompensation für den Mittenversatz der Drehachse 3 in y-Richtung, wenn Verschiebungen in anderen Richtungen nicht vorkommen können oder wenn über eine weitere Vorrichtung genau die y-Richtung als Verschiebungsrichtung ermittelt wurde.The necessary compensation of a drift of the rotation axis 3 in a known direction is thus from the difference of the measurement results of the two sensors 4 . 5 '' certainly. With the deflection of the code disk 2 in the y direction over the code disk sensor 4 , results at the same measurement result on the code disk sensor 4 , increasingly a mismatched reading on the magnetic sensor 5 '' , This difference is a measure of the required angular compensation for the center offset of the axis of rotation 3 in the y-direction, if displacements in other directions can not occur or if exactly the y-direction was determined as the direction of displacement via another device.

Beschreibt man die Drift der Drehachse 3 in einer Ebene aus x-Richtung und y-Richtung, so können auf die nachfolgend beschriebene Weise alle Driftbewegungen der Drehachse 3 in der Ebene unabhängig von der Drehbewegung erfasst und zur Erhöhung der Genauigkeit der erfassten Drehstellung kompensiert werden.Describing the drift of the rotation axis 3 in a plane from the x-direction and y-direction, so in the manner described below, all drift movements of the axis of rotation 3 detected in the plane regardless of the rotational movement and compensated to increase the accuracy of the detected rotational position.

Voraussetzung ist, dass der Codescheibensensor 4 den Drehstellungswinkel prinzipbedingt unabhängig von einer Drift in y-Richtung erfasst und der Magnetsensor 5'' mit Hilfe einer speziellen federnden Halterung 13 des Magnetrades 7 unabhängig gegenüber einer Drift in x-Richtung messen kann. Dies ist skizzenhaft in der 4 angedeutet.The condition is that the code disk sensor 4 the rotational position angle inherently detected independently of drift in the y-direction and the magnetic sensor 5 '' with the help of a special springy holder 13 of the magnetic wheel 7 can independently measure against a drift in the x-direction. This is sketchy in the 4 indicated.

Die Kompensation eines Versatzes in x-Richtung kann nun, unabhängig von der eigentlichen Erfassung der Drehstellung, aus einer mit der Drift der Drehachse 3 variierenden Magnetfeldstärke des Magnetrades 7 über dem Magnetsensor 5'' errechnet werden. Je weiter das gesamte Magnetrad 7 in x-Richtung über dem als Chip ausgebildeten Magnetsensor 5'' ausgelenkt wird, desto mehr verringert sich die gemessene Feldstärke. Die erfasste Feldstärkeänderung ist somit ein Maß dafür, wie das Ergebnis des Codescheibensensors 4 positiv oder negativ korrigiert werden muss. Als Ergebnis ergibt sich ein hochgenauer Drehwinkelwert, der im Wesentlichen auf der genauen Messung des optischen Codescheibensensors 4 basiert und zusätzlich mittenversatzbereinigt ist.The compensation of an offset in the x-direction can now, independently of the actual detection of the rotational position, from one with the drift of the axis of rotation 3 varying magnetic field strength of the magnetic wheel 7 above the magnetic sensor 5 '' be calculated. The further the entire magnetic wheel 7 in the x direction over the magnetic sensor designed as a chip 5 '' is deflected, the more the measured field strength decreases. The detected field strength change is thus a measure of how the result of the code disk sensor 4 must be corrected positively or negatively. As a result, a high accuracy angle of rotation value results, which is essentially due to the accurate measurement of the optical code disk sensor 4 is based and additionally offset in the middle offset.

Der zweite Sensor 5'' kommt primär zur Anwendung des Noniusprinzips zur Ermittlung einer Drehstellung über mehrere Runden hinweg und als Redundanz für Absicherungsmaßnahmen zum Einsatz. Damit er gleichzeitig bzw. zusätzlich zur Bestimmung der Drehstellung die Auslenkung der Drehachse 3 in x-Richtung aufnehmen kann, ist eine federnde Halterung 13 des Magnetrads 7 über dem feststehenden Magnetsensor 5'' vorgesehen. Das Magnetrad 7 läuft durch eine Federspannung beaufschlagt direkt und eng am Antriebsrad 6. Durch ein Andrücken wird nebenbei die Genauigkeit der Drehwinkelmessung am Magnetrad 7 erhöht, weil Hysterese, Zahn- und Lagerspiele dadurch verringert werden.The second sensor 5 '' comes primarily to the application of the vernier principle for determining a rotational position over several rounds away and as redundancy for hedging measures used. So that he at the same time or in addition to determining the rotational position, the deflection of the axis of rotation 3 in the x direction, is a resilient mount 13 of the magnetic wheel 7 above the fixed magnetic sensor 5 '' intended. The magnetic wheel 7 runs through a spring tension applied directly and closely to the drive wheel 6 , By pressing on the way, the accuracy of the rotation angle measurement on the magnetic wheel 7 increased because hysteresis, tooth and bearing games are reduced thereby.

Bei der in der 4 skizzierten Anordnung ist somit ein gewisser Anpressdruck zur Erzeugung eines Formschlusses zwischen Antriebsrad 6 und Magnetrad 7 notwendig. Eine Verschiebung der Drehachse des Magnetrads 7 soll ausschließlich in x-Richtung möglich sein. Dieser Freiheitsgrad kann durch ein als Langloch 11 in x-Richtung ausgeführte Lagerstelle 9 für das Magnetrad 7 realisiert werden. Die lineare Auslenkung des Magnetrades 7 in x-Richtung ändert nichts am Drehwinkel des Magnetrades 7 und damit am Messwert des zweiten Sensors 5'' für die Winkelstellung des Magneten 10 in der xy-Ebene.When in the 4 sketched arrangement is thus a certain contact pressure to produce a positive connection between the drive wheel 6 and magnetic wheel 7 necessary. A shift of the axis of rotation of the magnetic wheel 7 should only be possible in x-direction. This degree of freedom can be used as a slot 11 x-direction bearing 9 for the magnetic wheel 7 will be realized. The linear deflection of the magnetic wheel 7 In the x direction, nothing changes the angle of rotation of the magnetic wheel 7 and thus the measured value of the second sensor 5 '' for the angular position of the magnet 10 in the xy plane.

Ein Maß für den Mittenversatz in x-Richtung kann durch eine Erfassung der linearen Verschiebung des Magneten 10 bestimmt werden. Dies kann durch hier nicht beschriebene Algorithmen aus der Änderung der vom Magnetsensor 5'' insgesamt erfassten Magnetfeldstärke erfolgen, die sich durch die translatorische Verschiebung des Magneten 10 relativ zum Magnetsensor 5'' ergibt.A measure of the center offset in the x direction can be obtained by capturing the linear displacement of the magnet 10 be determined. This can be done by algorithms not described here from the change of the magnetic sensor 5 '' total detected magnetic field strength, resulting from the translational displacement of the magnet 10 relative to the magnetic sensor 5 '' results.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Magnetsensor ein so genannter 3D-Hallsensor 5''' verwendet wird, der Magnetfeldstärken komponentenweise in drei Raumrichtungen gleichzeitig erfassen kann. In diesem Fall kann die Drehachse 15 des Magnetrads 7 an einer Seite fix und an der anderen Seite verschwenkbar gelagert werden, wie dies in der 5 skizziert ist. Das Magnetrad 7 führt damit bei einer Verschiebung der verschwenkbaren Seite der Drehachse 15 eine Schaukelbewegung im Langloch 11 aus, welche die Lage des aus zwei Magneten bestehenden Magnetsystems 12 zur z-Achse ändert.It is particularly advantageous if as a magnetic sensor a so-called 3D-Hall sensor 5 ''' is used, which can detect magnetic field strengths component-wise in three spatial directions simultaneously. In this case, the rotation axis 15 of the magnetic wheel 7 fixed on one side and pivotally mounted on the other side, as shown in the 5 outlined. The magnetic wheel 7 thus leads to a shift of the pivotable side of the axis of rotation 15 a swinging motion in the slot 11 from which the location of the magnet system consisting of two magnets 12 changes to the z-axis.

Die Verschiebung des Magnetsystems 12 in der z-Richtung kann von einem 3D-Hallsensor 5''' separat bestimmt werden und ist unabhängig vom Drehwinkelwert des Magneten 10 in der xy-Ebene ein Maß für den zu kompensierenden Mittenversatz in x-Richtung.The displacement of the magnet system 12 in the z-direction can be from a 3D Hall sensor 5 ''' be determined separately and is independent of the angle of rotation of the magnet 10 in the xy plane a measure for the center offset to be compensated in the x direction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rotorrotor
22: Codescheibecode disk
33: Drehachseaxis of rotation
44: erster Sensor (Codescheibensensor)first sensor (code disk sensor)
5, 5', 5'', 5'''5, 5 ', 5' ', 5' '': zweiter Sensorsecond sensor
5'5 ': Drehsensor (Codescheibensensor)Rotary sensor (code disk sensor)
5''5 '': Magnetsensor (Hallsensor)Magnetic sensor (Hall sensor)
5'''5 '' ': 3D-Hallsensor3D Hall sensor
66: Antriebsraddrive wheel
77: Magnetradmagnetic wheel
88th: Auswertevorrichtungevaluation
99: Lagerstelledepository
1010: Magnetmagnet
1111: LanglochLong hole
1212: Magnetsystemmagnet system
1313: federnde Halterungresilient mount
1414: Codierungencoding
1515: Drehachse (des Magnetrads 7)Rotary axis (of the magnetic wheel 7 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005040150 A1 [0002]
DE 19506938 A1 [0003]

Claims

Rotary position measuring device with a rotor ( 1 ), with a first and a second sensor ( 4 . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ), both the rotational position of the rotor ( 1 ) tangentially, and with an evaluation device ( 8th ) for determining a rotational position angle from the output signals of both sensors ( 4 . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ), characterized in that the second sensor ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) by 90 °, 180 ° or 270 ° with respect to the first sensor ( 4 ) around the rotor ( 1 ) is arranged around, and that the evaluation device ( 8th ) from the output signals of the first and the second sensor ( 4 . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) a measure of a translational displacement of the rotor ( 1 ).

Rotary position measuring device according to claim 1, characterized in that at least one sensor ( 4 . 5 . 5 ' ) is an optical sensor.

Rotary position measuring device according to claim 1, characterized in that at least one sensor ( 5 . 5 '' . 5 ''' ) is a magnetic sensor.

Rotary position measuring device according to claim 1, characterized in that the two sensors ( 4 . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) form a vernier arrangement for detecting an angle range exceeding 360 °.

Rotary position measuring device according to claim 1, characterized in that the evaluation device ( 8th ) from the difference of the output signals of the first and the second sensor ( 4 . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) a measure of a translational displacement of the rotor ( 1 ) in a detection direction.

Rotary position measuring device according to claim 5, characterized in that the second sensor ( 5 . 5 '' . 5 ''' ) by 90 ° or 270 ° with respect to the first sensor ( 4 ) is arranged offset and that a translational displacement of the rotor ( 1 ) in the detection direction of the one sensor ( 4 ) not on the rotational position detection of the second sensor ( 5 . 5 '' . 5 ''' ) and vice versa.

Rotary position measuring device according to claim 5, characterized in that the second sensor ( 5 ' ) by 180 ° with respect to the first sensor ( 4 ) is arranged offset, that the detection direction parallel to the measuring direction of the first sensor ( 4 ) and that the second sensor ( 5 ' ) at a translational displacement of the rotor ( 1 ) in the detection direction a to the first sensor ( 4 ) detects reverse angle change.

Rotary position measuring device according to claim 1 and 5, characterized in that with the second sensor ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) for determining the translational displacement of the rotor ( 1 ) in the measuring direction of the first sensor ( 4 ) in addition to the detected angle in the xy plane and the resulting rotational position difference and the change of the magnetic flux density and / or the measured z-component of a pivotable axis of rotation ( 15 ) is detected and used in the z-direction.

Rotary position measuring device according to claim 1, characterized in that the evaluation device ( 8th ) from the determined translational displacement of the rotor ( 1 ) determines a corrected rotational position angle.