DE19653047A1 - Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessung umfassend einen kapazi­ tiven Wegaufnehmer mit wenigstens einem Stator, der gegeneinander isolierte Referenzelektrodenflächen aufweist, mit einem gegenüber dem wenigstens einen Stator rotativ oder linear beweglichen, mit dem Meßobjekt verbundenen Sensor, der eine Sensorelektrodenfläche aufweist, mit einer Ansteuerschaltung, die an die Referenzpotentialelektroden seitlich gegeneinander verschobene, alternierende Referenzspannungspotentiale definierter Höhe anlegt und mit einer Auswerteschaltung, der die von der Sensorelektrodenfläche gewonnenen Potentiale der Sensorspannung zugeführt werden und welche diese Potentiale zur Gewinnung eines der Meßgröße proportionalen Meßsignals verarbeitet.

Eine derartige Positionsmeßvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 37 11 062 C2 bekannt. Bei dieser Präzisions­ meßvorrichtung wird durch die Auswerteschaltung in Abhängigkeit von der Polarität der einzelnen abgetasteten Potentiale der Sensorspannung zueinander ein zwischen zwei Potentialen liegendes Potential als Meßsignal ausgewählt.

Problematisch bei dieser Art der Auswertung ist es nun, daß sich auf das Meßsignal sämtliche aufbaubedingten Störungen verschlechternd auswirken. So sind beispiels­ weise bei der rotativen Ausführung des kapazitiven Meßaufnehmers die Referenzpotentialelektrodenflächen auf den Statorplatten so angeordnet, daß sich exakt spiegel­ bildlich gegenüberstehende Elektrodenflächen elektrisch miteinander verbunden sind und die sich dazwischen bewegende Sensorplatte auf beiden Seiten ebenfalls exakt spiegelbildlich elektrisch miteinander verbundene Sensor­ elektrodenflächen aufweist. Bei dieser Ausführungsart entstehen immer dann Probleme, wenn die Sensorelek­ trodenflächen die einzelnen Referenzpotentialelektroden­ flächen, insbesondere die Zwischenräume zwischen diesen Referenzpotentialelektrodenflächen überstreicht, da die Referenzpotentialelektrodenflächen selbst bei präzisester Herstellung nie so ausgestaltet sein können, daß sie sich völlig gleichen. Durch diese geringfügigen Abweichungen der Referenzpotentialelektrodenflächen ergibt sich eine Abhängigkeit des Fehlers von der Position der Sensorelek­ trodenflächen und mithin der mit dem Meßobjekt ver­ bundenen Sensorplatte. Darüber hinaus wirken sich Umgebungseinflüsse, die unterschiedlich auf die einzelnen Referenzpotentialelektrodenflächen einwirken, in ent­ sprechender Weise verschlechternd auf das Meßsignal aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessung der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß bei einer möglichst hohen Auflösung des Meßsignals bauartbedingte und durch Umgebungseinflüsse hervor­ gerufene Fehler beseitigt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessung der eingangs beschriebe­ nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aus­ werteschaltung aus den Potentialen der Sensorspannung monoton anzeigende Hilfssignalspannungen bildet, diese Hilfssignalspannungen addiert und als Meßsignal ausgibt.

Die Umwandlung der gewonnenen Potentiale der Sensor­ spannung in monoton ansteigende Hilfssignalspannungen und die Addition dieser Hilfssignalspannungen sowie die Ausgabe der addierten Hilfssignalspannungen als Meßsignal hat den großen Vorteil, daß zum einen bauartbedingte Fehler sowie Fehler, die durch Umgebungseinflüsse hervor­ gerufen werden, eliminiert werden, da das Meßsignal immer sämtliche Hilfssignalspannungen und damit sämtliche Potentialwerte der Referenzpotentialelektroden und in Folge davon sämtliche, insbesondere auch bauartbedingte oder durch die Umgebung hervorgerufene Fehler umfaßt, zum anderen ermöglicht die Bildung monoton ansteigender Hilfssignalspannungen und die Addition dieser Hilfs­ signalspannungen zu dem eigentlichen Meßsignal eine besonders hohe Auflösung der Positionsmeßvorrichtung.

Rein prinzipiell ist die Bildung monoton ansteigender Hilfssignalspannungen aus den Potentialen in der Aus­ werteschaltung auf die unterschiedlichste Weise möglich.

Eine besonders vorteilhafte Lösung besteht jedoch darin, daß die Auswerteschaltung abfallende Potentialflanken erfaßt, in ansteigende Potentialflanken umwandelt und gegebenenfalls derart um einen konstanten Wert ver­ schiebt, daß das so entstandene Hilfssignal zu Beginn der Meßperiode den Wert Null aufweist.

Hierdurch wird auf einfache Weise eine Umwandlung der abgegriffenen Potentiale in monoton ansteigende Hilfs­ signalspannungen, die alle bei dem Anfangswert Null beginnen, ermöglicht.

Die Erfassung abfallender Potentialflanken ist dabei ebenfalls auf die unterschiedlichste Art und Weise möglich. Vorteilhafterweise erfaßt jedoch die Auswerte­ schaltung abfallende Flanken eines Potentials der Sensorspannung durch Vergleich mit wenigstens einem anderen Potential der Sensorspannung. Dies ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Signalverarbeitung, da das Entscheidungskriterium für eine abfallende Flanke durch die anderen Potentiale der Sensorspannung vor­ gegeben sind und insoweit kein Vergleichspotential oder eine andere Vergleichsgröße und der damit verbundene Schaltungsaufwand erforderlich ist.

Hinsichtlich der Ausbildung des Meßwertaufnehmers sind die unterschiedlichsten Ausführungsarten denkbar.

So kann sowohl der Stator als auch der Sensor plattenför­ mig ausgebildet sein.

Möglich ist es aber auch, daß sowohl der Stator als auch der Sensor zylinderförmig ausgebildet sind, wobei der Sensorzylinder konzentrisch im Statorzylinder angeordnet ist.

Beispielsweise ist bei der plattenförmigen Anordnung von Stator und Sensor vorgesehen, daß die Sensorelektroden­ fläche sektorförmig ausgebildet ist und der Sektor einen Zentriwinkel von 135° aufweist und daß die Statorplatte 4 jeweils quadrantenförmig angeordnete Referenzelektro­ denflächen aufweist.

In Falle der zylinderförmigen Anordnung von Sensor und Stator ist die Sensorelektrodenfläche in Form eines Teilzylindermantels ausgebildet, der einen Zentriwinkel von 135° hat, wohingegen die Referenzpotentialelektroden­ flächen quadrantenförmig angeordnete Teilzylindermantel­ flächen sind.

Bei derartigen Anordnungen der Sensorelektrodenfläche sowie der Referenzpotentialelektrodenflächen weisen die von der Sensorelektrode gewonnenen Potentiale der Sensor­ spannung eine für die Umwandlung in eine monoton an­ steigende Hilfssignalspannung jeweils eine besonders vorteilhafte Gestalt auf.

Möglich ist es ferner auch, daß die Statorplatten rechteckig ausgestaltet sind und daß die mit dem Meß­ objekt verbundene, ebenfalls rechteckige Sensorplatte sich längs zu den hintereinanderliegend auf den Stator­ platten befindlichen Referenzpotentialelektrodenflächen bewegen kann. Dieser Aufbau dient insbesondere einer Wegmessung.

Um insbesondere ein möglichst konstantes Meßsignal zu erhalten, ist vorteilhafterweise die Referenzspannung in Abhängigkeit vom Meßsignal, d. h. der Summe der vier Hilfssignalspannungen, geregelt.

Um von außen einwirkende elektrische Störeinflüsse abzuschirmen, ist der Meßwertaufnehmer abgeschirmt.

Vorteilhafterweise umfaßt der Meßaufnehmer in Axial- und Radialrichtung angeordnete Schirmelektroden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichneri­ schen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine teilweise weggebrochene Draufsicht eines Meßwertaufnehmers der erfin­ dungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung;

Fig. 2 schematisch eine teilweise geschnittene Sei­ tenansicht einer anderen Ausführungsart eines Meßwertaufnehmers einer erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung;

Fig. 3 schematisch die von der Sensorelektrode gewon­ nenen Potentiale der Sensorspannung einer erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung und

Fig. 4 schematisch die Auswertung der Potentiale in der Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Meßaufnehmers einer Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkelmessung, dargestellt in Fig. 1, umfassen ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Gehäuse, welches vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist. In dem Gehäuse 10 ist starr eine Stator­ platte 20 angeordnet, auf der gegeneinander isolierte Referenzpotentialelektrodenflächen 21, 22, 23, 24 angeordnet sind. Der Statorplatte 20 gegenüberliegend ist rotativ beweglich eine beispielsweise über eine Welle 11 mit dem Meßobjekt verbundene Sensorplatte 30 angeordnet, auf der eine Sensorelektrodenfläche 31 angeordnet ist. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Sensorelektrodenfläche 31 sektorförmig ausgebildet, wobei der Sektor einen Zentriwinkel von 135° aufweist.

An dem Gehäuse 10 sind weiterhin elektrische Anschluß­ elemente 12 vorgesehen, welche mit einer (nicht darge­ stellten) Ansteuerschaltung verbunden sind, welche an die Referenzpotentialelektrodenflächen 21, 22, 23, 24 in an sich bekannter Weise (vergl. DE 37 11 062 C2) zeitlich gegeneinander versetzte, alternierende Referenzspannungs­ potentiale definierter Höhe anlegt.

Um das kapazitiv auf den rotierenden Sensor eingekoppelte Signal abzugreifen, sind sowohl an der Statorplatte 20 als auch an der Sensorplatte 30 konzentrische, im Achsmittelpunkt angeordnete, sich gegenüberstehende Koppelelektrodenflächen 40, 41 angeordnet, welche die Auskopplung des kapazitiv auf den rotierenden Sensor eingekoppelten Signals auf den Stator ermöglichen.

Die Statorplatte 20 sowie die Sensorplatte 30 stehen sich in kleinem Abstand axial gegenüber. Sowohl die Stator­ platte 20 als auch die Sensorplatte 30 bestehen aus einem nicht leitenden plattenförmigen Material, z. B. Glasfaser­ gewebe oder Keramik, auf dem die Elektrodenflächen in Form von metallischen Schichten aufgebracht sind.

Bei einer Drehung der Sensorplatte 30 um 360° überdeckt die Sensorelektrodenfläche 31 abwechselnd die Referenzpo­ tentialelektrodenflächen 21, 22, 23, 24.

Werden nun an die Referenzpotentialelektrodenflächen 21, 22, 23, 24 zeitlich gegeneinander versetzte, alternieren­ de Referenzspannungspotentiale definierter Höhe angelegt, so können an der Sensorelektrodenfläche 31 Potentiale abgegriffen werden, welche nach Verarbeitung in einen Analog-Digital-Wandler einer (nicht dargestellten) Auswerteschaltung die in Fig. 3 dargestellte Gestalt aufweisen. Dabei ist die mit P1 bezeichnete Potentialkur­ ve der Referenzpotentialelektrodenfläche 1, die mit P2 bezeichnete Potentialkurve der Referenzpotentialelek­ trodenfläche 2, die mit P3 bezeichnete Potentialkurve der Referenzpotentialelektrodenfläche 3 und die mit P4 bezeichnete Potentialkurve der Referenzpotentialelek­ trodenfläche 4 zugeordnet. Dabei wird die Auswertung in der Auswerteschaltung so vorgenommen, daß die Maxima und Minima der digitalisierten Potentialspannungen zur Erzeugung eines jeweils verhältnismäßig breiten Maximums und Minimums verschwindender Steigung so "abgeschnitten" sind, daß zwischen diesen Maxima und Minima Bereiche konstanter Steigung vorhanden sind. Dies ermöglicht eine sehr präzise, weiter unten näher erläuterte Auswertung des Meßsignals.

Die Auswertung dieser potentialen Spannungen P1, P2, P3, P4 in der Auswerteschaltung wird am besten anhand der Fig. 4 erläutert.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, werden jeweils abfallende Flanken der einzelnen Potentialspannung P1, P2, P3, P4 in ansteigende Flanken umgewandelt. Die Erfassung abfallen­ der Flanken der Potentialspannung P1, P2, P3, P4 ge­ schieht dabei durch Vergleich der jeweils anderen Potentialspannung P1, P2, P3, P4.

Beispielsweise ist ein Abfallen der Potentialspannung P4 dadurch definiert, daß die Potentialspannung P1 einen vorgegebenen Schwellenwert SW (vgl. Fig. 3) überschreitet. In diesem Fall wird die Steigung der an der Referenzpo­ tentialelektrodenfläche 4 abgegriffenen Spannung rech­ nerisch in der Auswerteschaltung invertiert, so daß sich aus der abfallenden Flanke der Potentialspannung P4 eine ansteigende Flanke ergibt (vergl. Fig. 4).

Gleichzeitig findet eine Verschiebung der Potential­ spannung P4 um den Wert statt, der zu Beginn der Meß-Periode, d. h. bei einem Drehwinkel von 0° abgegriffen wurde. Im in Fig. 4 dargestellten Falle wird daher beispielsweise zu der Potentialspannung P4 ein Wert von -4096 addiert, so daß der Wert der Potentialspannung P4 beim Drehwinkel 0° Null ist. Entsprechend werden die anderen Potentialspannungen P1, P2, P3 in der Auswerte­ schaltung ausgewertet.

Hierdurch ergibt sich aus den einzelnen Potentialspannun­ gen P1, P2, P3, P4 der in Fig. 4 dargestellte Verlauf der Hilfssignalspannungen H1, H2, H3 und H4, wobei jeweils die Hilfssignalspannung H1 der Potentialspannung P1, die Hilfssignalspannung H2 der Potentialspannung P2, die Hilfssignalspannung H3 der Potentialspannung P3 und die Hilfssignalspannung H4 der Potentialspannung P4 zugeord­ net ist. Diese Hilfssignalspannungen H1, H2, H3, H4 werden daraufhin in der Auswerteschaltung addiert, wodurch sich der mit S bezeichnete Verlauf der Summen­ spannung, der dem Meßsignal proportional ist, ergibt.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Summenspannung S der einzelnen Hilfssignalspannungen H1, H2, H3, H4 in eine im Meßintervall von 0 bis 360° linear ansteigende Spannung, deren Maximalwert dem Vierfachen jeder einzelnen Potenti­ alspannung entspricht (rechte Ordinate in Fig. 4). Im dargestellten Falle eines 12-bit-Analog-Digitalwandlers demnach einem Wert von 32768.

Durch diese Summenspannung S ist somit einerseits eine sehr hohe Auflösung der gesamten Positionsmeßvorrichtung gewährleistet, zum anderen gehen sämtliche Fehler der einzelnen Hilfssignalspannungen H1, H2, H3, H4, die den Potentialspannungen P1, P2, P3, P4 eine eindeutig zuorden­ bar sind, in die Summenspannung S ein. Hierdurch werden bauartbedingte Fehler sowie Fehler, die auf Umgebungsein­ flüssen beruhen, eliminiert. Insbesondere ist bei dieser Positionsmeßvorrichtung der Fehler nicht mehr drehwinkel­ abhängig, wie dies aus dem Stand der Technik bekannten Positionsmeßvorrichtung der Fall ist.

Eine weitere Verbesserung des Signalverhaltens der Positionsmeßvorrichtung läßt sich dadurch erzielen, daß die Referenzspannung in Abhängigkeit vom Meßsignal, d. h. der Summe der vier Hilfssignalspannung H1, H2, H3, H4 geregelt ist. Auf diese Weise kann ein Meßsignal bereit­ gestellt werden, welches sich ausschließlich innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs bewegt und insoweit besonders vorteilhaft für eine Verarbeitung durch eine weitere, der Positionsmeßvorrichtung nachgeschalteten (nicht dargestellt) Schaltung ist.

Eine andere Ausführungsform des Meßaufnehmers ist in Fig. 2 dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Meßaufnehmer unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Meßaufnehmer im wesentlichen dadurch, daß statt einer plattenförmigen Ausbildung des Stators und des Sensors eine zylinderförmige Anordnung des Stators sowie des Sensors vorgesehen ist, wobei die Referenzpotentialelek­ trodenfläche wie auch die Sensorelektrodenfläche jeweils auf dem Zylindermantel des Stators sowie des Sensors angeordnet sind bei ansonsten insbesondere hinsichtlich der Winkel entsprechender Anordnung der Elektroden­ flächen, wie es im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten Meßwertaufnehmer oben beschrieben wurde.

Dies hat den Vorteil, daß der Meßaufnehmer bauartbedingt gegenüber axialen Einstreuungen weitestgehend unempfind­ lich ist.

Um eine vollständige Abschirmung von Einstreuungen zu vermeiden, sind sowohl an dem in Fig. 1 dargestellten Meßaufnehmer als auch an dem in Fig. 2 dargestellten Meßaufnehmer in Axial- und Radialrichtung angeordnete Schirmelektroden (50) vorgesehen.

Claims (11)

1. Positionsmeßvorrichtung für absolute Winkel- oder Wegmessungen umfassend einen kapazitiven Meßauf­ nehmer mit wenigstens einem Stator, der gegenein­ ander isolierte Referenzpotentialelektrodenflächen aufweist, mit einem gegenüber dem wenigstens einen Stator rotativ oder linear beweglichen, mit dem Meßobjekt verbundenen Sensor, der eine Sensorelek­ trodenfläche aufweist, mit einer Ansteuerschaltung, die an die Referenzpotentialelektroden seitlich gegeneinander verschobene, alternierende Referenz­ spannungspotentiale definierter Höhe anlegt und mit einer Auswerteschaltung, der die von der Sensorelek­ trodenfläche gewonnenen Potentiale der Sensorspan­ nung zugeführt werden und welche diese Potentiale zur Gewinnung eines der Meßgröße proportionalen Meßsignals verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung aus den Potentialen der Sensorspannung (P1, P2, P3, P4) monoton ansteigende Hilfssignalspannungen (H1, H2, H3, H4) bildet, diese Hilfssignalspannungen (H1, H2, H3, H4) addiert und als Meßsignal (S) ausgibt.

2. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung abfallende Potentialflanken erfaßt, in ansteigende Potential­ flanken umwandelt und die Potentiale (P1, P2, P3, P4) gegebenenfalls derart um einen konstanten Wert verschiebt, daß die so entstandenen Hilfssignal­ spannungen (H1, H2, H3, H4) zu Beginn der Meßperiode den Wert Null aufweisen.

3. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung abfallende Flanken durch Vergleich jeweils eines Potentials (P1, P2, P3, P4) mit der Sensorspannung durch Vergleich mit wenigstens jeweils einem anderen Potential (P1, P2, P3, P4) der Sensorspannung erfaßt.

4. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Stator (20) als auch der Sensor (30) plattenförmig ausgebildet sind.

5. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Stator (20) als auch der Sensor (30) zylinderförmig ausgebildet sind, wobei der Sensorzylinder konzentrisch im Stator­ zylinder angeordnet ist.

6. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektrodenfläche (31) sektorförmig ausgebildet ist und der Sektor einen Zentriwinkel von 135° aufweist und daß der Stator (20) vier jeweils quadrantenförmig angeordnete Referenzpotentialelektrodenflächen (21, 22, 23, 24) aufweist.

7. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektrodenfläche (31) teilzylindermantelförmig ausgebildet ist, wobei der Teilzylindermantel einen Zentriwinkel von 135° aufweist, und daß der Stator (20) vier jeweils quadrantenförmig und teilzylindermantelförmig angeordnete Referenzpotentialelektrodenflächen (21, 22, 23, 24) aufweist.

8. Positionsmeßvorrichtung nach einem der voranstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Referenzspannung in Abhängigkeit von dem Meßsignal geregelt ist.

9. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Statorplatte rechteckig gestaltet ist und daß die mit dem Meß­ objekt verbundene, ebenfalls rechteckige Sensor­ platte sich längs zu den nebeneinanderliegend auf der wenigstens einen Statorplatte befindlichen Referenzpotentialelektrodenflächen beweglich ist.

10. Positionsmeßvorrichtung nach einen der voranstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer abgeschirmt ist.

11. Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer in Axial- und Radialrichtung angeordnete Schirmelektroden (50) umfaßt.