DE102017130000A1

DE102017130000A1 - Sicherer Multiturn-Drehgeber mit einer Multiturn-Einheit

Info

Publication number: DE102017130000A1
Application number: DE102017130000.7A
Authority: DE
Inventors: Sven Meder; Sebastian Schuler; Thomas Zech; Sergei Schwitzgebel
Original assignee: FRITZ KUEBLER GmbH
Current assignee: FRITZ KUEBLER GmbH
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: DE102017130000B4

Abstract

Es wird offenbart ein Multiturn-Drehgeber zur sicheren Erfassung, und insbesondere auch zur Bestimmung, einer (absoluten) Multiturn-Position, dass heißt insbesondere einer Anzahl von vollständigen Umdrehungen, einer Eingangswelle, wobei der Multiturn-Drehgeber aufweist: eine erste Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer ersten Position, insbesondere der Eingangswelle, eingerichtet ist und die aufweist: eine erste Abtasteinrichtung; einen ersten Codeträger, der an die Eingangswelle koppelbar ist, um von der Eingangswelle angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines ersten Positionssignals durch die erste Abtasteinrichtung abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung zur Verarbeitung des ersten Positionssignals in ein erstes (vorzugsweise binäres), n-stelliges Codewort; und eine zweite Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer weiteren zweiten Position, die sich von der ersten Position unterscheidet, eingerichtet ist und die aufweist: eine zweite Abtasteinrichtung; einen zweiten Codeträger, der an den ersten Codeträger gekoppelt ist, um ebenfalls von der Eingangswelle angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines zweiten Positionssignals durch die zweite Abtasteinrichtung abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung zur Verarbeitung des zweiten Positionssignals in ein zweites, vorzugsweise binäres, n-stelliges Codewort, das sich vom ersten Codewort unterscheidet; mindestens ein Untersetzungsgetriebe mit einer Untersetzung u, das den ersten Codeträger an den zweiten Codeträger koppelt; und eine Vergleicher-Einheit, die eingerichtet ist, die Codewörter zu empfangen und miteinander zu vergleichen, in dem ausgewählte Bitwertigkeiten der Codewörter auf Identität oder auf eine gleichbleibende Differenz überprüft werden

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sicheren Multiturn-Drehgeber.
Ein Multiturn-Drehgeber ist eine spezielle Positionsmessvorrichtung zur Messung einer Winkelposition einer (Eingangs-) Welle. Herkömmliche Positionsmessvorrichtungen sind aus einer Vielzahl von Dokumenten bekannt. Positionsmessvorrichtungen zur Messung der Winkelposition der Welle werden als Drehgeber bezeichnet. Drehgeber zur Messung einer absoluten Winkelposition (zwischen 0° und 360°) werden als Singleturn-Drehgeber bezeichnet. Positionsmessvorrichtungen, die neben der absoluten Winkelposition der Welle auch eine Anzahl von (vollständig) zurückgelegten Umdrehungen messen können, bezeichnet man als Multiturn-Drehgeber.
Multiturn-Drehgeber (MT-Drehgeber) umfassen eine sogenannte Multiturn-Einheit. Die Multiturn-Einheit ist eine Einheit zur Feststellung der Anzahl der vollständig zurückgelegten Umdrehungen der Welle. Hier gibt es zwei Ansätze, nämlich getriebebasierte Multiturn-Einheiten und zählerbasierte Multiturn-Einheiten. Nachfolgend werden getriebebasierte Multiturn-Einheiten betrachtet.
Bei getriebebasierten Multiturn-Einheiten treibt die Eingangswelle eine oder auch mehrere Getriebestufen an, die eine Drehzahl der Eingangswelle (Eingangsdrehzahl) untersetzen. Bei einer Getriebestufe, dass heißt einem Getriebe zwischen der Eingangswelle und einer Ausgangswelle, mit einem exemplarischen Untersetzungsverhältnis von 4:1 (u=4) dreht sich die Ausgangswelle (Getriebwelle) einmal vollständig um ihre eigene Achse, während die Eingangswelle 4 Umdrehungen zurücklegt. Die Ausgangswelle treibt einen Codeträger an, dessen Winkelstellung beziehungsweise- position Rückschlüsse auf die Umdrehungszahl der Eingangswelle erlaubt.
Beispiele für getriebebasierte Multiturn-Drehgeber sind in den Dokumenten EP 2 295 938 A2 und DE 2817172 C2 beschrieben. Dort werden mehrstufige Drehgeber mit einer ersten Codescheibe und mehreren nachgeschalteten Codescheiben offenbart.
Ferner sind Positionsmessvorrichtungen zur sicheren Erfassung einer Multiturn-Position auf vollständig redundanter Basis bekannt, die zwei Multiturn-Einheiten umfassen, wie es schematisch in 10 gezeigt ist.
Die in der 10 gezeigte Positionsmessvorrichtung umfasst eine Singleturn-Einheit sowie eine erste Multiturn-Einheit und eine zweite Multiturn-Einheit. Der Codeträger der Singleturn-Einheit ist direkt an die Eingangswelle gekoppelt. Die Multiturn-Einheiten sind jeweils über ein Getriebe an eine der (zweistufigen) Multiturn-Einheiten mit einem Übersetzungsverhältnis von 4:1 gekoppelt.
Aus Sicherheitsgründen kann es erforderlich sein, die Anzahl der Umdrehungen der Eingangswelle sicher bzw. redundant zu erfassen, insbesondere wenn eine fehlerhafte Erfassung zu einer Beschädigung einer Maschine (zum Beispiel Aufzug) führen kann oder sogar eine Gefahr für das Bedienpersonal (zum Beispiel Aufzugsinsassen) der Maschine entstehen kann. Unter einer Redundanz ist das zusätzliche Vorhandensein funktional gleicher oder vergleichbarer Ressourcen eines technischen Systems zu verstehen, auch wenn diese bei einem störungsfreien Betrieb des Systems im Normalfall nicht benötigt werden. In der Regel dienen diese zusätzlichen Ressourcen zur Erhöhung der Ausfall-, Funktions- und Betriebssicherheit. Im Beispiel der 10 sind die Multiturn-Einheiten redundant vorgesehen.
Ferner unterscheidet man zwischen den verschiedenen Arten der Redundanz. Eine funktionelle Redundanz zielt darauf ab, sicherheitstechnische Systeme mehrfach parallel auszulegen, damit beim Ausfall einer Komponente die andere den Dienst gewährleistet. Zusätzlich versucht man, die redundanten Systeme ordentlich voneinander zu trennen (vergleiche 10). Dadurch minimiert man das Risiko dass sie einer gemeinsamen Störung unterliegen. Schließlich kann man auch Bauteile unterschiedlicher Hersteller verwenden, um zu vermeiden, dass ein systematischer Fehler sämtliche redundanten Systeme ausfallen lässt (diversitäre Redundanz).
Das doppelte Vorsehen von Komponenten (Multiturn-Einheiten inklusive Maßverkörperungen und Abtasteinrichtungen) führt zu erhöhten Aufwendungen in der Konstruktion, Positionserfassung und der Verarbeitung der erfassten Positionen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multiturn-Drehgeber vorzusehen, der bei einer Reduktion der Aufwendungen, insbesondere einer Vereinfachung der Sensorik und Mechanik, dennoch eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Eine hohe Betriebssicherheit ist zum Beispiel dann gewährleistet, wenn der Drehgeber ein Signal ausgeben kann, dass eine Betriebsstörung anzeigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Multiturn-Drehgeber zur sicheren Erfassung, und insbesondere auch zur Bestimmung, einer (absoluten) Multiturn-Position, dass heißt insbesondere einer Anzahl von vollständigen Umdrehungen einer Eingangswelle, wobei der Multiturn-Drehgeber aufweist: eine erste Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer ersten Position, insbesondere der Eingangswelle, eingerichtet ist und die aufweist: eine erste Abtasteinrichtung; einen ersten Codeträger, der an die Eingangswelle koppelbar ist, um von der Eingangswelle angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines ersten Positionssignals durch die erste Abtasteinrichtung abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung zur Verarbeitung des ersten Positionssignals in ein erstes (vorzugsweise binäres), n-stelliges Codewort; und eine zweite Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer weiteren zweiten Position, die sich von der ersten Position unterscheidet, eingerichtet ist und die aufweist: eine zweite Abtasteinrichtung; einen zweiten Codeträger, der an den ersten Codeträger gekoppelt ist, um ebenfalls von der Eingangswelle angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines zweiten Positionssignals durch die zweite Abtasteinrichtung abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung zur Verarbeitung des zweiten Positionssignals in ein zweites, vorzugsweise binäres, n-stelliges Codewort, das sich vom ersten Codewort unterscheidet; mindestens ein Untersetzungsgetriebe mit einer Untersetzung u, das den ersten Codeträger an den zweiten Codeträger koppelt; und eine Vergleicher-Einheit, die eingerichtet ist, die Codewörter zu empfangen und miteinander zu vergleichen, in dem ausgewählte Bitwertigkeiten der Codewörter auf Identität oder auf eine gleichbleibende Differenz überprüft werden.
Die Positionsmesseinheiten sind über das Getriebe aneinander gekoppelt. Die Positionsmesseinheiten können entweder Teil einer Singleturn-Einheit und einer Multiturn-Einheit oder alternativ Teil einer (einzigen) Multiturn-Einheit sein. Insbesondere wird nur eine einzige Multiturn-Einheit verwendet, sodass sich der Aufbau des Multiturn-Drehgebers vereinfacht. Es werden weniger Teile benötigt. Die Kosten reduzieren sich. Dennoch wird eine hohe Betriebssicherheit erzielt, in dem spezifische Bits der Codewörter miteinander verglichen werden. Diese speziellen Bits haben entweder den gleichen Inhalt oder definieren eine (über die Zeit und insbesondere über die Umdrehungen bzw. Positionen) gleichbleibende Differenz.
Kommt es zu einer Abweichung bei der Identität oder der Differenz, weil die zugeordneten Codewörter entsprechend abweichen, liegt ein Defekt vor, der zur Ausgabe eines Fehlersignals führt. Der Vergleich der speziellen Bits erlaubt zum Beispiel die Erkennung eines Defekts in der Mechanik des Drehgebers.
Die Auslegung und die Eigenschaften (zum Beispiel mechanische Toleranz) des Getriebes beeinflussen direkt die zu erzielende Übereinstimmung (Identität oder gleichbleibende Differenz) zwischen den Getriebestufen, die insbesondere durch die Positionsmesseinheiten repräsentiert werden.
Eine Basisuntersetzung u des Untersetzungsgetriebes wird vorzugsweise nach der Formel $u = \sqrt{2^{(n - (n m o d 2))}}$
für ganzzahlige n bestimmt. Daraus lässt sich insbesondere eine alternative (kleinere) Untersetzung u' bestimmen, bei der sich der gleiche Effekt (Identität oder gleichbleibende Differenz) einstellt.
Bei einer besonderen Ausgestaltung gibt die Vergleicher-Einheit ein Fehlersignal aus, wenn der Vergleich in einer Abweichung von der Identität oder von der gleichbleibenden Differenz resultiert.
Vorzugsweise ist n größer oder gleich 4.
Bei einem weiteren besonderen Drehgeber wird eine Abfolge von m aufeinanderfolgenden hochwertigen, vorzugsweise höchstwertigen Bits des ersten n-stelligen Codeworts mit m entsprechenden niedrigwertigen, vorzugsweise niedrigstwertigen, Bits des zweiten n-stelligen Codeworts verglichen oder subtrahiert, wobei insbesondere gilt: $m = ⌊ (\frac{n}{2}) ⌋ .$
Weiter ist es von Vorteil, wenn das Untersetzungsgetriebe direkt, dass heißt ohne weitere Getriebe, zwischen dem ersten Codeträger und dem zweiten Codeträger, vorzugsweise als einziges Getriebe dazwischen, angeordnet ist, sodass die ersten und zweiten Codeträger direkt zueinander benachbarte Getriebestufen repräsentieren.
Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung bestimmen sich miteinander zu vergleichende Bitwertigkeiten der ersten und zweiten Codewörter nach den folgenden, insbesondere untersetzungsunabhängigen, Regeln:

(R1)Bitwertigkeiten von [n/2] bis (n - 1) für das erste Codewort, und
(R2) Bitwertigkeiten von (n mod2) bis $(⌈ \frac{n}{2} - 1 ⌉)$
für das zweite Codewort.

Insbesondere ist der erste Codeträger näher relativ zur Eingangswelle als der zweite Codeträger angeordnet.
Vorzugsweise umfasst der Multiturn-Drehgeber nur eine einzige Multiturn-Einheit.
Weiter ist es von Vorteil, wenn der Multiturn-Drehgeber ferner eine Singleturn-Einheit aufweist, wobei die Singleturn-Einheit die erste Positionsmesseinheit umfasst, wobei die eine Multiturn-Einheit die zweite Positionsmesseinheit umfasst und wobei die Singleturn-Einheit und die eine Multiturn-Einheit über eines der Untersetzungsgetriebe aneinander gekoppelt sind.
Bei dieser Ausgestaltung wird das Singleturn-Codewort mit dem direkt benachbarten Multiturn-Codewort verglichen.
Alternativ können auch zwei, vorzugsweise direkt benachbarte, Multiturn-Codewörter miteinander verglichen werden, wobei dann die erste und die zweite Positionsmesseinheit von der (einen) Multiturn-Einheit umfasst sind.
Weiter ist es von Vorteil, wenn zumindest eines der Codewörter eine Anzahl von vollständig zurückgelegten Umdrehungen der Eingangswelle angibt, wobei n insbesondere eine Bitwertigkeit angibt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm eines Multiturn-Drehgebers der der Erfindung;
2 ein Block- und Funktionsdiagramm des Multiturn-Drehgebers der 1;
3 eine Veranschaulichung einer Pseudoredundanz zwischen verschiedenen Codewörtern, die mit dem Multiturn-Drehgeber der 1 und 2 erzeugbar sind;
4 eine grafische Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen Positionssignalen und Winkelstellungen einer Eingangswelle gemäß den 1 bis 3;
5 ein Hardware-Konfigurationsdiagramm einer Auswertungseinrichtung;
6 eine Tabelle zur Veranschaulichung von miteinander zu vergleichenden Bitwertigkeiten;
7 eine grafische Veranschaulichung von miteinander zu vergleichenden Bitwertigkeiten von zwei Codewörtern;
8 eine alternative Ausführungsform eines Multiturn-Drehgebers;
9 eine grafische Veranschaulichung für den Multiturn-Drehgeber der 8 ähnlich zur 3; und
10 eine schematisches Diagramm eines Multiturn-Drehgebers gemäß dem Stand der Technik.

1 zeigt ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines Multiturn-Drehgebers 10 gemäß der Erfindung. Der Multiturn-Drehgeber 10 der 1 ist so dargestellt, dass ein Vergleich mit dem herkömmlichen (Komponenten-Redundanten) Multiturn-Drehgeber der 10 einfach möglich ist.
Allgemein weist der Multiturn-Drehgeber 10 eine, vorzugsweise einzige, Multiturn-Einheit 12 auf. Optional kann der Multiturn-Drehgeber 10 auch eine Singleturn-Einheit 14 aufweisen.
Nachfolgend wird vereinfachend der Fall betrachtet, dass der Multiturngeber 10 eine Singleturn-Einheit 14 und eine Multiturn-Einheit 12 aufweist, die über ein erstes (Untersetzungs-)Getriebe 16-1 aneinander gekoppelt sind, wobei die Multiturn-Einheit 12 ein weiteres (internes) zweites Getriebe 16-2 aufweist. Die Multiturn-Einheit 12 ist über das Untersetzungsgetriebe 16-1 direkt an eine Eingangswelle 18 (mechanisch) gekoppelt. Die Singleturn-Einheit 14 umfasst die Eingangswelle 12. Die Singleturn-Einheit 14 könnte alternativ auch über eine eigene Getreibewelle (nicht gezeigt) lediglich an die Eingansgwelle 18 gekoppelt sein.
Im Beispiel der 1 umfasst der Multiturn-Drehgeber 10 also zwei Getriebe 16. Das erstes Getriebe 16-1 ist zwischen der Eingangswelle 18, dass heißt in diesem Fall der Singleturn-Einheit 14, und der Multiturn-Einheit 12 angeordnet. Das Getriebe 16-1 weist ein exemplarisches Untersetzungsverhältnis von 4:1 (Untersetzung u = 4) auf. Generell können auch andere Untersetzungsverhältnisse gewählt werden, wie es nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
Das zweite Getriebe 16-2 koppelt eine erste (nicht näher bezeichnete) Multiturn-Stufe an eine zweite (nicht näher bezeichnete) Multiturn-Stufe der Multiturn-Einheit 12. Das Getriebe 16-2 ist mechanisch zwischen einer Welle der ersten Multiturn-Stufe und einer weiteren Welle der zweiten Multiturn-Stufe positioniert und koppelt diese aneinander. Das Untersetzungsverhältnis des zweiten Getriebes 16-2 ist wiederum zum Beispiel 4:1 (u = 4). Es versteht sich, dass weitere Multiturn-Stufen über weitere (hier nicht gezeigte) Getriebe 16 der zweiten Multiturn-Stufe nachgeschaltet werden könnten.
Jede der Multiturn-Stufen der 1 umfasst einen Codeträger bzw. - scheibe 20 (vergleiche auch 2), der in 1 exemplarisch durch einen (einzigen) magnetischen Dipol implementiert ist. Ferner umfasst jede Multiturn-Stufe eine Abtasteinrichtung 22, die in der 1 mit „MT-Sensor 1-1“ bzw. „MT-Sensor 1-2“ bezeichnet ist.
1 dient ferner einer Verdeutlichung des Grundprinzips eines Multiturn-Drehgebers. Die Singleturn-Einheit 14 umfasst auch einen Codeträger bzw. -scheibe 24 (vergleiche 2), die in 1 nicht gezeigt ist und die direkt an die Eingangswelle 18 (drehfest) gekoppelt ist. Die Codescheibe 20 trägt eine optisch, magnetisch, kapazitiv oder induktiv abtastbare Codierung, um eine Umdrehung der Eingangswelle 18 in eine Vielzahl von unterscheidbaren Sektoren bzw. Segmenten aufzuteilen. Diese Codierung kann ein mehrspuriger Code, zum Beispiel ein Gray-Code, sein. Die Codierung kann zum Beispiel aber auch ein einspuriger Kettencode sein, wie zum Beispiel ein „Pseudo Random Code“ (PRC). Die Codierung wird zur Bildung von Singleturn-Positionssignalen ST-POS von einer Abtasteinrichtung 26 (vergleiche 2) abgetastet. Die Singleturn-Positionssignale ST-POS werden einer Auswertungseinrichtung, insbesondere einer Singleturn-Auswertungseinrichtung 28 (vergleiche 2) zugeführt, die daraus ein mehrstelliges, vorzugsweise binäres, Singleturn-Codewort ST-CW bildet und an ihrem Ausgang ausgibt. Das Singleturn-Codewort ST-CW gibt eine Absolutposition (0° - 360°) der Eingangswelle 18 innerhalb einer einzigen Umdrehung an.
Zur Erfassung der (vollständigen) Umdrehungen der Eingangswelle 18 ist die Multiturn-Einheit 12 vorgesehen.
Die Multiturn-Einheit 12 ist getriebebasiert, die in 1 exemplarisch mit zwei Getrieben (beziehungsweise Getriebestufen) 16-1 und 16-2 dargestellt ist. Eine Anzahl der benötigten Getriebestufen hängt weitgehend von einer Anzahl von festzustellenden Umdrehungen der Eingangswelle 18 sowie von der Anzahl der mit einer Getriebestufe feststellbaren Umdrehungen ab. Sollen nur wenige Umdrehungen der Eingangswelle 18 gemessen werden, so reicht gegebenenfalls eine einzige Getriebestufe aus. Sollen sehr viele Umdrehungen erfasst werden, werden in der Regel mehrere Getriebestufen benötigt.
Wie in 2 gezeigt, die der 1 hinsichtlich einer Funktion und eines Aufbaus entspricht, treiben die Getriebe 16-1 und 16-2 jeweils einen der Multiturn-Codeträger 20-1 bzw. 20-2 an, die von den entsprechend angeordneten Multiturn-Abtasteinrichtungen 22-1 bzw. 22-2 zur Erzeugung von Multiturn-Positionssignalen MT-POS1 und MT-POS2 abgetastet werden. Eine Information, in welcher der zählbaren Umdrehungen sich die Eingangswelle 18 gerade befindet, ist in der Winkelstellung bzw. -position der Multiturn-Codeträger 20-1 bzw. 20-2 codiert.
Die Multiturn-Codeträger 20-1 und 20-2 sind exemplarisch durch einen einzigen magnetischen Dipol implementiert (vergleiche 1). Eine datentechnische Auflösung (Anzahl der Bits) hat Einfluß auf die (optimale) Untersetzung u, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
Schließlich verarbeitet eine Auswerteeinrichtung 30 die Multiturn-Positionssignale MT-POS1 und MT-POS2 zu entsprechenden Multiturn-Codewörtern MT-CW1 und MT-CW2. Dies bedeutet, dass das Multiturn-Positionssignal MT-POS1 in das Multiturn-Codewort MT-CW1 verarbeitet wird und dass das Multiturn-Positionssignal MT-POS2 in das Multiturn-Codewort MT-CW2 verarbeitet wird.
Es versteht sich, dass die Auswertungseinrichtung 28 der Singleturn-Einheit 14 und die Auswertungseinrichtung 30 der Multiturn-Einheit 12 auch durch eine einzige Auswertungseinrichtung (28 oder 30) implementiert werden können. Dieser Fall ist in 2 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet, die sich von der Singleturn-Abtasteinrichtung 26 zur (MT-)Auswertungseinrichtung 30 erstreckt, um das Singleturn-Positionssignal ST-POS an die Auswertungseinrichtung 30 zur weiteren Verarbeitung zu liefern.
Eine Vergleicher-Einheit 32 empfängt zumindest zwei der Codewörter ST-CW, MT-CW1 und MT-CW2. Die Vergleicher-Einheit 32 ist Teil der Multiturn-Einheit 12. Die Vergleicher-Einheit 32 hat die Aufgabe zumindest zwei der empfangenen Codewörter auf Plausibilität zu überprüfen, wie es nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird nun erläutert werden, wie durch eine Überlastung (Oversampling) eine Plausibilisierung einer Multiturn-Position realisierbar ist. Es gilt, dass sich das bzw. die Multiturn-Codewörter bei einer Änderung des Codeworts der vorhergehenden (d.h. vorgeschalteten) Getriebestufe zwingend ändern müssen. Es entsteht eine Art „Pseudoredundanz“ (vgl. 3), wie es nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird.
3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Codewörter (CW), die mit der Anordnung gemäß den 1 und 2 erzeugt werden. 4 zeigt ein Diagramm, dass die Codewörter der 3 anhand eines konkreten Beispiels verdeutlicht. Die 3 und 4 zeigen n-stellige (binäre) Codewörter, wobei exemplarisch n=4 gewählt ist. Die Kästchen der 3 verdeutlichen Bits. Die Zahl in den Kästchen verdeutlicht eine Bitwertigkeit bzw. die Stelle innerhalb des entsprechenden Codeworts. In 3 sind 4-Bit-Zahlen gezeigt, die 16 Zustände unterscheiden können (2⁴ = 16). Das Übersetzungsverhältnis zwischen den einzelnen Getriebestufen ist jeweils 4:1 (d.h. u = 4) gewählt, wie oben bereits erläutert. Es versteht sich, dass die Anzahl n der Stellen des Codeworts (d.h. die Bitwertigkeit) beliebig wählbar ist, wobei n einer Auflösung entspricht und Einfluss auf die Untersetzung u hat, wie es nachfolgend noch erläutert werden wird.
Vorzugsweise werden binäre Codewörter verwendet, wobei die Bitwertigkeit den Stellenwert der einzelnen Bits festlegt, den das Bit durch seine Position innerhalb einer Binärzahl bzw. des Codeworts haben soll. In den 3 und 4 sind die Codewörter jeweils vierwertige Binärzahlen. Die Bits sind innerhalb der gezeigten Binärzahlen in diesem Fall gemäß LSB0 nummeriert, sodass das Bit der Nummer 0 (d.h. das Bit mit dem Index 0 bzw. dem ersten Stellenwert) den niedrigsten Stellenwert hat.
Im Beispiel der 3 und 4 sind die beiden höchstwertigen Bits einer unmittelbar vorhergehenden Getriebestufe immer, dass heißt jederzeit, identisch zu den beiden niedrigstwertigen Bits der aktuell betrachteten Getriebestufe. Es versteht sich, dass bei dieser exemplarischen Betrachtung davon ausgegangen wird, dass die Getriebewellen zur Eingangswelle 18 kalibriert sind. Dies bedeutet, dass alle Wellen (Eingangswelle und Getriebewellen) zu einem Zeitpunkt t=0 in ihren Winkelpositionen 0° stehen. Weichen die Winkelpositionen zum Zeitpunkt t=0 voneinander ab, so sind die zu vergleichenden Bits nicht identisch, sondern resultieren in einer gleichbleibenden Differenz, wie es nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird.
Im Beispiel der 3 und 4 bedeutet dies, da die Wellen aufeinander kalibriert sind, dass die beiden höchstwertigen Bits des Singleturn-Codeworts ST-CW (hier: Stellen n-2 und n-1) den beiden niedrigstwertigen Bits des Multiturn-Codeworts 1 (hier: Stelllen 0 und 1) entsprechen bzw. identisch dazu sind.
Eine entsprechende Identität stellt sich zwischen der ersten Multiturn-Stufe und der zweiten Multiturn-Stufe, dass heißt zwischen dem Multiturn-Codewort MT-CW1 und dem Multiturn-Codewort MT-CW2, ein. In der 3 sind diese Identitäten durch vertikale Pfeile verdeutlicht und mit „Pseudoredundanz“ bezeichnet.
Die 4 verdeutlicht die „Pseudoredundanz“ der 3 zwischen der ersten Multiturn-Stufe und der zweiten Multiturn-Stufe in einer alternativen Form. In der oberen Hälfte der 4 ist die erste Multiturn-Stufe veranschaulicht. In der unteren Hälfte der 4 ist die zweite Multiturn-Stufe veranschaulicht. In der linken Hälfte der 4 sind Signalverläufe gezeigt. In der rechten Hälfte der 4 sind die Winkelpositionen der Wellen durch einen Kreis verdeutlicht, entlang dessen Umfangsrichtung die entsprechenden Codewörter als Binärzahlen aufgetragen sind.
Weil exemplarisch 4-stellige Binärzahlen verwendet werden, handelt es sich vorliegend um eine 4-Bit-Auflösung. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass mit 4 Bit 2ⁿ-Zustände, also 16 Zustände beschrieben werden können. Dies äußert sich in den rechts dargestellten Tortendiagrammen der Winkelpositionen darin, dass der jeweilige Vollkreis in 16 Segmente unterteilt ist. Ein Segment in der ersten Multiturn-Stufe entspricht einem Winkel von 22,5°. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass sich die Eingangswelle 18 - wegen des Übersetzungsverhältnisses von 4:1 - bereits um 90° gedreht hat, wenn sich die Getriebewelle der ersten Multiturn-Stufe auf 22,5° dreht. Das erste Multiturn-Codewort springt dann von „0000“ zu „0001“ (bei LSB0-Notation von rechts nach links) um, weil der erste von 16 möglichen Zuständen der Getriebewelle der ersten Multiturn-Stufe erreicht ist.
Analoges gilt zwischen der ersten Multiturn-Stufe und der zweiten Multiturn-Stufe. Wenn sich die Welle der ersten Multiturn-Stufe um 90° gedreht hat, dreht sich die Welle der zweiten Multiturn-Stufe ebenfalls wiederum auf 22,5°, sodass deren erster Zustand („0001“) erreicht ist. Vergleicht man in dieser Situation die ersten beiden Stellen des Codeworts der ersten Multiturn-Stufe (d.h. von „0100“) mit den beiden letzten Stellen des Codeworts der zweiten Multiturn-Stufe (d.h. von „0001“), dann erkennt man den identischen bzw. übereinstimmenden Inhalt „01“, d.h. die „Pseudoredundanz“. Das Gleiche gilt zum Beispiel für die Winkelposition 180° der ersten Multiturn-Stufe und die Winkelposition 45° der zweiten Multiturn-Stufe, wo die Identität bzw. Übereinstimmung „10“ lautet, wie es durch entsprechende Rahmungen und Pfeile in 4 verdeutlicht ist. Es versteht sich, dass ein entsprechend veranschaulichendes Diagramm auch für einen Vergleich des Singleturn-Codeworts ST-CW und des Multiturn-Codeworts MT-CW1 gezeichnet werden könnte.
Ferner wäre es sogar möglich, das Singleturn-Codewort ST-CW mit dem Multiturn-Codewort MT-CW2 der nächsten Getriebestufe, also Getriebestufe-übergreifend, zu vergleichen.
Nachfolgend werden Überlegungen zu einer bevorzugten Übersetzung u bzw. einem bevorzugten Übersetzungsverhältnis 1/u angestellt.
Das bevorzugte Untersetzungsverhältnis 1/u ist direkt von der zur Verfügung stehenden Auflösung, dass heißt der Anzahl n von Bits des Codeworts der Abtasteinrichtung 22 bzw. 26 abhängig. Allgemein gilt (für gerade und ungerade n) für die Untersetzung die Gleichung (1): $u = \sqrt{2^{(n - (n m o d 2))}}$
Der Ausdruck „mod 2“ resultiert in einer Berechnung eines Rests, wenn man n durch die Zahl 2 dividiert (Beispiel: 5 mod 2 = 1, da 5 = 2 x 2 +1).
Mit der Gleichung (1) wird die größtmögliche Untersetzung bestimmt. Es sind jedoch auch kleinere Untersetzungen möglich.
Zulässige (kleinere) Werte für die Untersetzung u bestimmen sich nach der nachfolgenden Gleichung (2): $u_{N E U} = u_{A L T} \cdot \frac{1}{2^{x}}$
wobei x ein Element der natürlichen Zahlen ist und die Gleichung (2) nur gilt, wenn der Nenner des Bruchs nicht größer als klein u_ALT wird. u_NEU wurde eingangs auch bereits als u' bezeichnet.
Wie oben bereits erläutert, werden die von der oder den Auswertungseinrichtungen 28, 30 erzeugten Codewörter ST-CW, MT-CW1 und/oder MT-CW2 in der Vergleicher-Einheit 32 auf Plausibilität überprüft.
5 zeigt ein Hardware-Konfigurationsdiagramm der Vergleicher-Einheit 32.
Individuelle Funktionen der Vergleicher-Einheit 32 der 5 werden durch eine erste Verarbeitungsschaltung 34 implementiert. Die erste Verarbeitungsschaltung 34 umfasst zum Beispiel mindestens einen Prozessor 36 und optional einen ersten Speicher 38.
In einem Fall, wo die Verarbeitungsschaltung 34 zumindest einen ersten Prozessor 36 und zumindest einen ersten Speicher 38 umfasst, werden die individuellen Funktionen der Auswertungseinrichtung 32 durch Software, Firmware oder eine Kombination der Software und der Firmware implementiert. Die Software und/oder die Firmware ist bzw. sind als ein (Computer-) Programm beschrieben. Die Software und/oder die Firmware ist bzw. sind in dem zumindest ersten Speicher 38 gespeichert.
Der Prozessor 36 implementiert die individuellen Funktionen der Auswertungseinrichtung 32 durch Lesen und Ausführen eines Programms, das in dem zumindest ersten Speicher 38 gespeichert ist. Der Prozessor 36 kann eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), ein zentraler Prozessor, eine Verarbeitungseinheit, eine arithmetische Einheit, ein Mikroprozessor oder ein Mikrocomputer sein. Der erste Speicher 38 ist zum Beispiel ein nicht flüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher, wie zum Beispiel ein RAM, ein ROM, ein Flashspeicher, ein EPROM oder ein EEPROM.
In dem Fall, wo die Verarbeitungsschaltung 34 eine zweckgebundene Hardware ist, ist die Verarbeitungsschaltung 34 zum Beispiel eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel-programmierter Prozessor, ein ASIC, ein FPGA oder eine Kombination davon. Jeder der Funktionen der Auswertungseinrichtung 32 wird zum Beispiel durch die Verarbeitungsschaltung 34 implementiert. Die individuellen Funktionen der Auswertungseinrichtung 32 können zum Beispiel kollektiv durch die Verarbeitungsschaltung 34 implementiert werden. In Bezug auf die individuellen Funktionen der Auswertungseinrichtung 32 könnte ein Teil davon durch eine zweckgebundene Hardware implementiert sein und ein anderer Teil davon könnte durch Software oder Firmware implementiert sein.
Der oben unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläuterte Zusammenhang zwischen sich überlappenden bzw. identischen Abschnitten (vergleiche Pfeile und Rahmen in 4) der n-stelligen Binärzahlen der Codewörter lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken, wobei in diesem Fall exemplarisch davon ausgegangen wird, dass die Wertigkeit der Bits mit 0 beginnt und von links nach rechts zunimmt.
Bei der Plausibilitätsprüfung auf Identität bzw. Gleichheit gelten die nachfolgenden (untersetzungsunabhängigen) Regel: $(R 1) B i t w e r t i g k e i t e n v o n ⌈ n / 2 ⌉ b i s (n - 1)$
für das erste Codewort, und $(R 2) B i t w e r t i g k e i t e n v o n (n m o d 2) b i s (⌈ \frac{n}{2} - 1 ⌉)$
für das zweite Codewort.
Diese Regeln gelten insbesondere für direkt benachbarte Getriebestufen, wie zum Beispiel für das Codewort-Paar bestehend aus ST-CW und MT-CW1 oder das Codewort-Paar bestehend aus MT-CW1 und MT-CW2. Ferner weisen alle Wellen (d.h. die Eingangswelle 18 und die relevanten Getriebewellen) in diesem Fall ein gemeinsamen Nullpunkt auf.
Wenn die Wellen keinen gemeinsamen Nullpunkt aufweisen, d.h. ein relativer Winkelversatz vorliegt, erfolgt die oben erwähnte Plausibilitätsprüfung in Bezug auf eine gleichbleibende bzw. konstante Differenz zwischen den entsprechenden Bitwertigkeiten der Codewort-Paare, die die gleichen sind, wie oben bei der Prüfung auf Identität erwähnt.
Die Regeln sind die gleichen wie oben, nur das man die Werte nicht vergleicht, sondern voneinander subtrahiert, d.h. Bitwertigkeiten von (CW1 - CW2) = konst.
Die eckigen Klammern in den oben genannten Regeln für die Identitätsprüfung und die Differenzprüfung drücken einen Aufrundungsprozess aus.
In 6 ist eine Tabelle zur Bestimmung der Bitwertigkeiten der Codewörter mit n Stellen gezeigt. Ferner sind die Start- und Endpunkte der zu berücksichtigenden Abschnitte der Codewörter gezeigt. Ausserdem ist die bevorzugtw Untersetzung angegeben.
Nachfolgend wird in der Tabelle der 6 exemplarisch das Beispiel n = 11 betrachtet. Der Startpunkt (bzw. die Stelle, wo der Vergleich beginnt) des ersten Codeworts berechnet sich nach $⌈ n / 2 ⌉ = ⌈ 11 / 2 ⌉ = ⌈ 5,5 ⌉ = 6.$
Der Endpunkt bzw. die Endstelle des ersten Codewortes berechnet sich nach (n-1) = (11-1) = 10. Der Startpunkt bzw. die Startstelle des zweiten Codewortes berechnet sich nach (n mod 2) = (11 mod 2) = (11/2 = 5 Rest 1) = 1. Der Endpunkt bzw. die Endstelle des zweiten Codewortes berechnet sich nach $(⌈ n / 2 - 1 ⌉) = (⌈ 11 / 2 ⌉ - 1) = (⌈ 5,5 ⌉ - 1) = (6 - 1) = 5.$

Daraus folgt auch, dass jeweils fünf Stellen der Codewörter für n = 11 miteinander verglichen werden. Insbesondere werden die fünf höchstwertigen Bits des ersten Codeworts mit fünf niedrigwertigsten Bits des zweiten Codeworts verglichen, wobei diese Bits mit der Wertigkeit 1 (bzw. der zweiten Stelle) beginnen. Beim Identitätsvergleich müssen die Inhalte der einander zugeordneten Bits (0 oder 1) jeweils gleich sein.
7 zeigt die miteinander zu vergleichenden Bits für die Bitanzahlen n = 4, ... , 7. Die tatsächlich miteinander zu vergleichenden Bits sind dunkel dargestellt. Für n = 4 oder n = 5 werden zwei Bits miteinander verglichen. Für n = 6 oder n = 7 werden drei Bits miteinander verglichen. Die Anzahl m der miteinander zu vergleichenden Bits berechnet sich nach der Gleichung (3): $m = ⌊ (n / 2) ⌋$
wobei hier abgerundet wird.
Durch den Einsatz einer redundanten Sensorik (mehrere Getriebestufen, Codeträger und Abtasteinrichtungen) lassen sich weitere Vereinfachungen in der Mechanik erreichen, wie zum Beispiel ein größeres Getriebespiel bei gleichbleibender Sicherheit. Diese echte Redundanz resultiert in einer weiteren Verbesserung der Sicherheit und ist in 8 schematisch verdeutlicht.
8 zeigt einen entsprechenden Multiturn-Drehgeber 10 mit einer (einzigen) Singleturn-Einheit 12 und einer (einzigen) Multiturn-Einheit 12, wobei die Multiturn-Einheit 12 mehrere Getriebestufen aufweist und jeder Getriebestufe zwei Abtasteinrichtungen 22 bzw. 24 zugeordnet sind. 9 veranschaulicht die „Pseudoresonanzen“ für die Multiturn-Drehgeber 10 der 8, ähnlich zur 3.
Auch hier besteht eine Überlappung in der Sensorik. Aufgrund der vollständig redundanten Sensorik sind die Anforderungen an die Mechanik hier jedoch geringer. Bei gleicher Gesamtauflösung können mehr Multiturn-Umdrehung sicher erfasst werden.
Bezugszeichenliste

10: MT-Drehgeber
12: MT-Einheit
14: ST-Einheit
16: (Untersetzungs-) Getriebe
18: Eingangswelle
20: Codeträger von 12
22: Abtasteinrichtung von 12
24: Codeträger von 14
ST-POS: ST-Positionssignal
26: Abtasteinrichtung von 14
28: Auswertungseinrichtung von 14
ST-CW: Singleturn-Codewort
30: Auswertungseinrichtung von 12
MT-POS: MT-Positionssignal
MT-CW: MT-Codewort
32: Vergleicher-Einheit
34: 1. Verarbeitungsschaltung
36: Prozessor
38: Speicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2295938 A2 [0005]
DE 2817172 C2 [0005]

Claims

Multiturn-Drehgeber (10) zur sicheren Erfassung einer Multiturn-Position einer Eingangswelle (18), wobei der MT-Drehgeber (10) aufweist: eine erste Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer ersten Position eingerichtet ist und die aufweist: eine erste Abtasteinrichtung (26; 22-1); einen ersten Codeträger (24; 20-1), der an die Eingangswelle (18) koppelbar ist, um von der Eingangswelle (18) angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines ersten Positionssignals (ST-POS; MT-POS1) durch die erste Abtasteinrichtung (26; 22-1) abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung (28; 30) zur Verarbeitung des ersten Positionssignals (ST-POS; MT-POS1) in ein erstes binäres n-stelliges Codewort (ST-CW; MT-CW1); und eine zweite Positionsmesseinheit, die zur Erfassung und Bestimmung einer weiteren zweiten Position, die sich von der ersten Position unterscheidet, eingerichtet ist und die aufweist: eine zweite Abtasteinrichtung (22-1; 22-2); einen zweiten Codeträger (20-1; 20-2), der an den ersten Codeträger (24; 20-1) gekoppelt ist, um ebenfalls von der Eingangswelle (18) angetrieben zu werden, und der zur Erzeugung eines zweiten Positionssignals (MT-POS1; MT-POS2) durch die zweite Abtasteinrichtung (22-1; 22-2) abtastbar ist; und eine Auswertungseinrichtung (30) zur Verarbeitung des zweiten Positionssignals (MT-POS1; MT-POS2) in ein zweites binäres n-stelliges Codewort (MT-CW1; MT-CW2), das sich vom ersten Codewort (ST-CW; MT-CW1) unterscheidet; mindestens ein Untersetzungsgetriebe (UG1; UG2) mit einer Untersetzung u, das den ersten Codeträger (24; 20-1) an den zweiten Codeträger (20-1; 20-2) koppelt; und eine Vergleicher-Einheit (32), die eingerichtet ist, die Codewörter (MT-CW1; ST-CW, MT-CW2) zu empfangen und miteinander zu vergleichen, indem ausgewählte Bitwertigkeiten der Codewörter auf Identität oder auf eine gleichbleibende Differenz überprüft werden.
Drehgeber nach Anspruch 1, wobei sich eine Basisuntersetzung u des Untersetzungsgetriebes (UG) nach der Formel $u = \sqrt{2^{(n - (n m o d 2))}}$
für ganzzahlige n bestimmt.
Drehgeber nach Anspruch 2, wobei sich eine zur Basis-Untersetzung u alternative Untersetzung u' nach der Formel $u' \frac{1}{2^{x}} u$
bestimmt und wobei 2^x nicht größer als die Basis-Untersetzung u sein darf.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vergleicher-Einheit (32) ein Fehlersignal ausgibt, wenn der Vergleich in einer Abweichung von der Identität oder von der gleichbleibenden Differenz resultiert.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei n größer oder gleich 4 ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Abfolge von m aufeinanderfolgenden hochwertigen, vorzugsweise höchstwertigen, Bits des ersten n-stelligen Codeworts (ST-CW; MT-CW1) mit m entsprechenden niedrigwertigen, vorzugsweise niedrigstwertigen, Bits des zweiten n-stelligen Codeworts (MT-CW1; MT-CW2) verglichen oder subtrahiert wird, wobei insbesondere gilt: $m = ⌊ (\frac{n}{2}) ⌋ .$
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Untersetzungsgetriebe (UG) direkt zwischen dem ersten Codeträger (24; 20-1) und dem zweiten Codeträger (20-1; 20-2), vorzugsweise als einziges Getriebe dazwischen, angeordent ist, so dass die ersten und zweiten Codeträger (24; 20) direkt zueinander benachbarte Getriebestufen repräsentieren.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich miteinander zu vergleichende Bitwertigkeiten der ersten und zweiten Codewörter nach den folgenden, insbesondere untersetzungsunabhängigen, Regeln bestimmen: $B i t w e r t i g k e i t e n v o n ⌈ n / 2 ⌉ b i s (n - 1)$
für das erste Codewort, und $B i t w e r t i g k e i t e n v o n (n m o d 2) b i s (⌈ \frac{n}{2} - 1 ⌉)$
für das zweite Codewort.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Codeträger (24; 20-1) näher relativ zur Eingangswelle (18) als der zweite Codeträger (20-1; 20-1) angeordnet ist.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der nur eine einzige Multiturn-Einheit (12) umfasst.
Drehgeber nach Anspruch 10, wobei die eine Multiturn-Einheit (12) die erste und die zweite Positionsmesseinheit umfasst.
Drehgeber nach Anspruch 11, wobei ferner eine Singleturn-Einheit (14) vorgesehen ist, wobei die Singleturn-Einheit (14) die erste Positionsmesseinheit umfasst, wobei die eine Multiturn-Einheit (12) die zweite Positionsmesseinheit umfasst und wobei die Singleturn-Einheit (14) und die eine Multiturn-Einheit (12) über eines der Untersetzungsgetriebe (UG) aneinander gekoppelt sind.
Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zumindest eines der Codewörter (MT-CW1, MT-CW2) eine Anzahl von vollständig zurückgelegten Umdrehungen der Eingangswelle (18) angibt und wobei n insbesondere eine Bitwertigkeit angibt.