DE10231980A1

DE10231980A1 - Vorrichtung zum berührungslosen Messen einer linearen Verschiebung oder einer Drehlage

Info

Publication number: DE10231980A1
Application number: DE10231980A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schubach
Original assignee: Schubach Rudolf Dipl-Ing
Current assignee: Schubach Rudolf Dipl-Ing
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, die Drehanlage des Rotors eines Elektromotors oder die Verschiebung eines Maßstabes gegen eine einfache Sensoreinheit aus Spulen berührungslos zu bestimmen. DOLLAR A Damit kann im Falle des Elektromotors die Ansteuerung der Stromversorgung so erfolgen, daß zu jedem Zeitpunkt bestmögliches Drehmoment und Leistung erzielt werden. Besonders für das Anfahren aus der Ruhelage ist dabei die schnelle und genaue Betimmung der Drehlage für die gleichmäßige Regelung erforderlich. DOLLAR A Im Falle eines Sicherheitsgurtes bei Kraftfahrzeugen ist der Maßstab in den Gurt integriert und es wird bestimmt, wie weit der Gurt herausgezogen ist. So wird zusätzliche Information über den Insassen auf diesem Sitz verfügbar, etwa wie groß er ist, in welcher Haltung dieser sitzt und wie er sich bewegt. Von besonderem Vorteil ist, daß das Meßverfahren diese Länge direkt bestimmt, also auch nach einem Spannungseinbruch oder einer anderen Störung, und verschleißfrei funktioniert. DOLLAR A Das Meßverfahren beruht auf dem Bestimmen der Wirbelstromverluste im hochfrequenten elektromagnetischen Feld einer Spule. Die Wirbelstromverluste sind proportional der gemeinsamen Fläche von Spule und Geberstruktur. Störeinflüsse wie variabler Abstand und Schichtdicke der Geberstruktur werden mittels einer zweiten Spulenanordnung kompensiert. Die besonderen Vorteile dieser Anordnung bestehen in der kostengünstigen und flexiblen Herstellung der Geberstruktur und der Ausweitung ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der linearen oder rotatorischen Verschiebung eines Maßstabes gegen den Sensor mittels der Bestimmung des Wirbelstromverlustes. Sie ist anwendbar in Elektromotoren, Fertigungsanlagen, handgeführten Befehlsgeräten und technischen Textilien, wie etwa Sicherheitsgurten in Kraftfahrzeugen.
In bekannten Geräten zur Messung von Verschiebung und Drehlage kommen überwiegend optische und induktive Verfahren zum Einsatz, welche die inkrementelle oder absolute Messung mit zum Teil sehr hoher Auflösung ermöglichen.
Der offensichtliche Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß im Falle der optischen Lösungen eine sehr hohe Empfindlichkeit gegen Verschmutzung besteht, die nur mit sehr aufwendiger Kapselung vermieden werden kann. Im Falle der magnetisch, induktiven Verfahren besteht eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Abstand und Auflösung, so daß eine hohe Auflösung nur bei sehr eng toleriertem Abstand möglich wird und die Messung bei einem größeren oder wechselndem Abstand versagt.
Einfache Lösungen, wie das Messen der Wirbelstromverluste an der Stirnseite eines Zahnrades aus elektrisch leitfähigem Material, das auf der Rotorwelle angebracht ist, sind kostengünstig. Der offensichtliche Nachteil dieses Ansatzes besteht nun darin, daß dieses Zahnrad eine nicht unerhebliche Breite von wenigstens 10 mm haben muß, um die Fläche der Spule hinreichend groß machen zu können. Weitere Strukturen zum Verbessern der Auflösung sind nur durch weitere Zahnräder mit einem anderen Modul und zusätzlicher Breite möglich, was bei der erwünschten geringen Baugröße oftmals nicht hinnehmbar ist.
Ein interessanter Ansatz zum Erfassen der Drehlage besteht nun darin, die Geberscheibe mit einer schrägen Ebene zu schneiden, so daß am Umfang eine Sinuswelle je Umdrehung entsteht. Der offensichtliche Nachteil dieses Vorschlages besteht nun darin, daß die Genauigkeit der Meßauflösung bei wirtschaftlich vertretbaren Mitteln sehr eingeschränkt ist, insbesondere dann, wenn durch starke elektromagnetische bis zu etwa 300 mT und elektrostatische Felder weitere Störungen hinzukommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Geberstruktur aus einem elektrisch leitfähigem Material vorteilhaft auszubilden, mit welcher in einer Ebene die Verschiebung dieser Struktur gegen eine Spule bestimmt wird und die Auflösung der Messung etwa 1/250 der Länge eines Geberelementes erreicht. Erzielt wird dies, indem die Breite des Geberelements über der Länge von einem Minimum zu einem Maximum hin stetig zunimmt. Die Fläche der Spule ist so ausgebildet, daß sie die größte Breite des Geberelementes abdeckt und damit der Wirbelstromverlust in dem Geberelement der gemeinsamen abgedeckten Fläche von Spule und Geberelement und so der Verschiebung des Geberelementes gegenüber der Spule entspricht.
Der Wirbelstromverlust entsteht bei dem Betrieb der Spule mit Frequenzen größer als 30 kHz und wird als Minderung der Spannung an der Spule meßbar.
Mehrere Geberelemente auf einer Geraden oder einem Radius bilden in einem Band eine Struktur. Im Falle eines Elektromotors entspricht dabei die Zahl der Geberelemente der Anzahl der Pole, so daß die Drehlage je Pol mit der geforderten Genauigkeit gemessen werden kann. Durch die Ausbildung weiterer, paralleler Strukturen in dieser Ebene, mit einer um je eins erhöhten oder verminderten Zahl von Geberelementen, wird mit Hilfe des Nonius-Prinzips die Messung über die Strukturgröße eines Elementes hinaus möglich und ist theoretisch für beliebige Strecken erweiterbar.
Solche gleichförmigen elektrisch leitfähigen Geberelemente können als Kupferbeschichtung mit etwa 10 μm bis 20μm auf einer flexiblen oder starren Leiterplatte ausgeführt sein. Im Falle technischer Textilien, wie Sicherheitsgurten, ist die Herstellung sogar als Aufdruck mit einem elektrisch leitfähigen Material durchführbar und gestattet die Messung einer Strecke von ca. 1,5 m mit einer Genauigkeit von etwa 5mm.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch den Patentanspruch (1) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung von zwei oder mehreren Geberelementen aus einem elektrisch leitfähigem Material auf einem Träger aus einem elektrisch isolierendem Material in einer Ebene hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, daß in Form und Anzahl nahezu beliebige Geberstrukturen für die Messung des Wirbelstromverlustes wirtschaftlich erzeugt werden können, und dafür die Fläche dieser Ebene genutzt wird. So kann die Baugröße der Meßvorrichtung insgesamt gering gehalten werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, daß dieser Träger aus einem flexiblen Material bestehen kann, der nur am Ort der Messung durch die Spulen einigermaßen ausgerichtet sein soll, und ansonsten Körperformen und anderen Konturen beliebig folgen kann.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß die Messung berührunglos mit einer erheblichen Toleranz des Abstandes von bis zu 3mm durchgeführt werden kann. Damit unterliegt es keinem Verschleiß und ist unempfindlich gegen sehr viele Verunreinigungen mit Staub, Putzmitteln und Ölen. Selbst bei Verunreinigung mit elektrisch leitfähigen Materialien wird es erst dann beeinträchtigt, wenn Strukturen größer ca. 4 mm² entstehen, die Wirbelströme ermöglichen.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.
Dabei zeigt
1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur;
2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Geberstruktur;
3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur;
4 eine Schnitt durch die lineare Geberstruktur;
5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur;
6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur;
7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur;
In 1 ist die radiale Ausführung der erfindungsgemäßen Geberstruktur dargestellt. Dabei bezeichnet 1 den kreisförmigen Träger aus einem isolierenden Material mit dem Mittelpunkt 4. In einem Streifen zwischen dem größeren Radius ra und dem kleineren Radius ri um den Mittelpunkt 4 sind die Geberelemente 2 aus einem elektrisch leitenden Material mit der Länge a und der Schichtdicke s auf der Oberfläche des Trägers angeordnet. Die Breite der Geberelemente nimmt über der Länge a dabei von einem Minimum zu einem Maximum stetig zu. Ihre Anzahl wird durch den Radius und ihre Länge a bestimmt und sei N.
Konzentrisch zum Mittelpunkt 4 ist eine Bohrung 7 zum Befestigen des Träges ausgeführt, deren Durchmesser in weiten Grenzen variieren kann.
Auf einem weiteren Träger 3 sind zwei Spulen L1.1 und L1.2 in einem Abstand c zueinander so angeordnet, daß ihre Wicklungsfläche diesen Streifen aus Geberelementen 2 bedeckt.
2 ist eine senkrechte Sicht auf diese erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur. Zusätzlich sind auf der zweiten Seite des isolierenden Trägers weitere Geberelemente 6 dargestellt, die in der gleichen Weise wie die Geberelemente 2 gebildet werden. Die Länge b der Geberelemente 6 weicht dabei von der Länge a so ab, daß die Anzahl der Geberelemente 6 entweder N + 1 oder N – 1 ist.
3 zeigt eine lineare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur. In zwei Streifen der Breite m und n sind elektrisch leitende Flächen 2, 6 als Geberelemente so über der Länge I verteilt, daß von den Geberelementen 6 mit der Länge a drei Stück vorhanden sind und von den Geberelementen 2 mit der Länge b vier Stück.
Auf einem weiteren Träger 3 sind über dem Streifen mit der Breite m zwei Spulen L2.1 und L2.2 so angeordnet, daß ihre Windungsfläche die Breite m überdeckt, und entsprechend über dem Streifen mit der Breite n zwei weitere Spulen L1.1 und L1.2, so daß die Spulen zueinander den Abstand c haben.
Ergänzend ist das Koordinatensystem XY gezeigt, mit der Ordinate X in Richtung der Strecke I und Y orthogonal in der Ebene des Trägers.
In 4 ist ein Schnitt A-B durch die lineare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur dargestellt. Sichtbar wird der Abstand d des Spulenträgers 3 von der elektrisch leitenden Schicht, bestehend aus den Geberelementen 2 und 6 mit der Schichtdicke s. Sowie der Eigenschaft, daß die Geberstruktur lediglich eine Teil der Erstreckung x des Trägers 1 einnimmt.
5 zeigt zusätzlich zu dem Schnitt durch die lineare Anordnung der erfindungsgemäßen Geberstruktur eine Schicht 8 zum Abdecken der Geberstruktur.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geberstruktur dargestellt, wobei die Geberelemente 9 und 12 einer stetigen Sinusform mit der Periodenlänge a bzw. b entsprechen.
7 zeigt die Strukturierung der erfindungsgemäßen Geberstruktur innerhalb eines Geberelementes 10, wobei gegeneinander isolierte Ringleiter 10.1, 10.2, 10.3, 10,4 etc. entstehen, über welche die Spule 11 in Richtung x geschoben wird; Die Spule L1.1 und L1.2 in 3 werden mit einem hochfrequenten Signal größer 30 kHz über einen Vorwiderstand gespeist. Sofern keine Geberstruktur in der Nähe ist, entsteht dabei über der Spule eine dem speisenden Signal entsprechende Spannung mit der Amplitude U_L0- Wird das Geberelement in die Nähe gebracht, so vermindern Wirbelstromverluste in der Geberstruktur die an der Spule meßbare Spannung proportional zu Abstand d, Schichtdicke s und Breite des Elementes, entsprechend der Steigung a und der Position x_b der Spule über dem Geberelement 2.3: UL1.1 = UL0⋅xb⋅a⋅d⋅s; (1) UL1.2 = UL0⋅(xb + c)⋅a⋅d⋅s; (2) Sofern die Meßfrequenz hinreichend hoch und die Schichtdicke größer ca. 10 μm sind, ist der Einfluß der Schichtdicke vernachläßigbar gering und der Abstand wird bestimmt: d = UL1.1 (UL0⋅xb⋅a); (3) und durch Einsetzen in (2) wird die Verschiebung x innerhalb eines Geberelementes gemessen: xb = (c⋅UL1.1)/(UL1.2 – UL1.1) (4)
Analog wird die Verschiebung x_a innerhalb eines Geberelementes 6 bestimmt, solange beide Spulen L1.1, L1.2 über der Fläche eines Geberelementes sind. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um die lineare (3) oder radiale (1) Anordnung handelt.
Die Behandlung des Übergangs von einem Geberelement auf das nächste ist etwas komplizierter und kann am einfachsten behandelt werden, indem eine dritte Spule je Spur eingeführt wird. Durch das Verwenden einer ebenfalls stetigen Sinuskurve (6) kann diese Sprungstelle vermieden und einfacher behandelt werden. Das Bestimmung der Verschiebung erfolgt durch Anwendung bekannter trigonometrischer Funktionen.
Das Bestimmen der absoluten Verschiebung x über der Strecke I erfolgt durch Anwenden des Nonius-Prinzips, hier für die Teilungen 3 und 4. Andere Teillungen können analog verwendet werden. Zunächst wird festgestellt, ob xa <= xb; (5) zutrifft und mit k = 3⋅xa – 4⋅xb; (6) bestimmt über welchem k-ten Geberelement die Spule L1.1 sich befindet. Sofern Bedingung (5) nicht erfüllt ist, kommt k = 3⋅xa – 4⋅xb + 4; (7) zur Anwendung und die absolute Verschiebung wird mit x = k⋅b + xb; (8) bestimmt.
Sofern die Auflösung der Strecke I mit zwei Spuren von Geberelementen nach diesem Prinzip nicht hinreichen genau bestimmt werden kann, weil etwa I so groß oder die geforderte Auflösung so fein sein soll, so können weitere Spuren von Geberelementen hinzugenommen und entsprechend ausgewertet werden.
Die Auswertung erfolgt mit einer der Standardschaltungen für die Bestimmung einer Spitzenspannung, die nach Analog-Digitalwandlung in einem Mikrocontroller gemäß den oben angegebenen Gleichungen in Realzeit bewertet wird.
Dabei kann es von Vorteil sein, diese Meßschaltung in einem speziellen integrierten Schaltkreis (Mixed-Signal-ASIC) zusammenzufassen.
Die Spulen sind so wählen, daß über der geforderten Fläche möglichst viele Windungen bei einer geringen Länge ausgeführt werden. Es ist unerheblich, ob die Spulen als Teil einer Leiterplatte oder als diskrete Komponenten ausgeführt sind.
Eine weitere Verbesserung der Ortsauflösung der Verschiebung x wird erreicht, wenn ein Geberelement 10 in sich strukturiert wird. Dabei werden der äußeren Kontur der Fläche ähnliche, ringförmige Leiterbahnen 10.1, 10.2, 10.3 etc. mit etwa 1 mm Breite hergestellt, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Dies bewirkt, daß die in der Fläche kreisförmigen Wirbelströme unterbunden sind, solange die Fläche der Spule 11 die Mitte des Geberelementes nicht überschritten hat.

Claims

Vorrichtung zum berührungslosen Messen der relativen oder absoluten Verschiebung x über einem linearen oder radialen Maßstab, wenigstens enthaltend einen starren oder flexiblen Träger (1) aus einem elektrisch isolierenden Material und flächige Geberelemente (2) aus einem elektrisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberelemente (2) in Richtung x entlang einer Geraden oder dem Radius hintereinander gleichartig angeordnet sind und in diesem Streifen der Breite n eine regelmäßige Struktur entsteht, wobei eine Auswerteeinheit anhand der an den Spulen L1.1 und L1.2 gemessenen Wirbelstromverluste die Verschiebung oder Drehung x des Trägers 1 gegenüber den Spulen L1.1 und L1.2 berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite dieser elektrisch leitenden Geberelemente (2) von einer geringsten Breite über der Länge a zunimmt bis zu einer größten Breite n, oder umgekehrt und so eine eindeutige Zuordnung zwischen der Breite und Verschiebung in Meßrichtung x möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung dieser elektrisch leitenden Geberelemente (2) auf einer Geraden für das Messen der linearen Verschiebung x oder auf einem Kreis für das Messen der Drehung erfolgen kann und so eine Geberstruktur mit einer festzulegenden Anzahl N von Geberelementen entsteht.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf demselben Träger (1) neben dieser ersten Geberstruktur 2 weitere Geberstrukturen 6 angebracht werden, wobei die Anzahl der Geberelemente 2, 6 zwischen der ersten Geberstruktur und jeder weiteren, und zwischen diesen, unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über diesen Strukturen aus Geberelementen in einem Abstand d eine Anordnung von wenigstens zwei Spulen L1.1, L1.2 je Geberstruktur 2 mit der Wicklungsfläche orthogonal zu dem Träger (1) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über der Struktur aus Träger (1) und Geberelementen (2), (6) wenigstens eine weitere Lage eines elektrisch isolierenden Materials angebracht wird, z.B. Lack oder textiles Gewebe.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese lineare Anordnung aus Träger (1) und Geberelementen (2), (6) Bestandteil eines Sicherheitsgurtes in einem Kraftfahrzeug ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung aus Träger (1) und Geberelementen (2), (6) in einer kreisförmigen Ausführung Bestandteil des Rotors eines Elektromotors ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung aus Träger (1) und Geberelementen (2), (6) Bestandteil eines linearen Antriebes in einer Maschine oder Anlage ist.
Vorrichtung zum berührungslosen Messen der relativen oder absoluten Verschiebung x über einem Element, wenigstens enthaltend einen starren oder flexiblen Träger (1) aus einem elektrisch isolierenden Material und ein flächiges Geberelement (10) aus einem elektrisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (10) in zueinander annähernd konzentrische Ringleiter 10.1, 10.2, 10.3 etc. aufgeteilt ist, die gegeneinander elektrisch isoliert sind und in der Form der äußeren Kontur ähnlich sind, wobei eine Auswerteeinheit anhand des an der Spule 11 gemessenen Wirbelstromverlustes die Verschiebung des Geberelementes 10 gegenüber der Spule 11 berechnet.