DE19813497C2

DE19813497C2 - Induktiver Weggeber

Info

Publication number: DE19813497C2
Application number: DE1998113497
Authority: DE
Inventors: Willi Wimmer; Christian Lage
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE19813497A1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Weggeber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen, aus der DE 42 24 225 C2 bekannten Art.

Der Begriff "Weggeber" umfaßt hier sowohl Vorrichtungen zur Erfassung einer Strecke, d. h. Weggeber im engeren Sinne, als auch Vorrichtungen zur Erfassung eines Drehwinkels, d. h. Drehwinkelgeber oder Weggeber im weiteren Sinne.

Aus dem Stand der Technik sind viele induktive Weggeber unterschiedlicher Bauart für verschiedene Anwendungsgebiete bekannt.

So offenbart z. B. die DE 32 31 977 C1 eine Anordnung zur induktiven Messung von relativen Drehwinkel-Schwankungen zwi schen rotierenden Wellen in einem Drehwinkelbereich von 0° bis 60°. Bei dieser Anordnung sind auf den Wellen alternierend verschachtelte Signalgeberelemente vorgesehen. Diese erzeugen in speziellen Signalaufnehmern elektrische Impulse, die nach entsprechender Aufbereitung und Verarbeitung ein Maß für den jeweils gesuchten Drehwinkel darstellen.

In prinzipiell ähnlicher Weise funktionieren die aus der DE 29 39 643 A1 und der DE 43 44 494 C2 bekannten induktiven Drehwinkelgeber.

Eine vergleichbare Anordnung, allerdings basierend auf einem optoelektronischen Meßprinzip, offenbart die DE 38 28 456 A1.

Aus der DE 79 27 760 U1 ist ein induktiver Geber zur Erfas sung eines markierten Drehwinkels einer Welle bekannt. Dieser Geber beinhaltet eine umlaufende Scheibe mit mehreren an ihrem Umfang hintereinanderliegend angeordneten Segmenten aus je einem Zahn und einer anschließenden Zahnlücke. Die Segmente sind fast alle untereinander kongruent, bis auf das Segment im Bereich des zu markierenden Drehwinkels. Dessen Zahn ist in Umfangsrichtung breiter ausgebildet als die Zähne an den untereinander kongruenten Segmenten. Beim Drehen der Scheibe laufen die Zähne nacheinander an einer induktiven Tasteinrich tung vorbei und induzieren in einer zur Tasteinrichtung gehö renden Spule etwa sinusförmige Wechselspannungshalbwellen. Der regelmäßige Spannungsverlauf wird beim Vorbeigehen des nicht kongruenten Segments der Scheibe an der induktiven Tastein richtung gestört, woraus mittels einer elektronischen Schal tung ein Hinweis auf den markierten Drehwinkel abgeleitet werden kann. Die Genauigkeit dieses Gebers ist allerdings relativ gering.

Auf ähnliche Weise funktionieren die aus der DE 79 23 666 U1 und der DE 29 33 517 A1 bekannten induktiven Drehwinkel geber.

Aus der DE 32 18 508 C2 ist ein nach dem Frequenzmodula tionsprinzip arbeitender Drehwinkelaufnehmer bekannt.

Die DE 36 42 678 A1 offenbart eine Meßeinrichtung für Drehwinkel mit einer wechselstromdurchflossenen Spulenanord nung und einer Einrichtung zum Erfassen der Impedanz dieser Spulenanordnung. In die Spulenanordnung wird eine von dem zu messenden Drehwinkel abhängige Menge elektrisch leitenden oder ferromagnetischen Materials eingebracht, wodurch sich die Impedanz der Spulenanordnung ändert, so daß über die Größe der Impedanz auf den gesuchten Drehwinkel geschlossen werden kann.

Eine prinzipiell ähnliche Vorrichtung ist in der DE 41 19 063 A1 beschrieben.

Nach einem ähnlichen Meßprinzip arbeitet auch eine aus der DE 40 40 932 A1 bekannte Winkelmeßvorrichtung. Bei dieser Meßvorrichtung ist zwischen zwei einander gegenüberliegenden Spuleneinrichtungen eine Taumelscheibe angeordnet, die sich auf einer Welle befindet. Durch Verdrehung der Taumelscheibe wird eine induktive Vollbrücke, deren Kernstück die genannten Spuleneinrichtungen sind, verstimmt. Die Verstimmungsspannung der induktiven Vollbrücke ist ein Maß für den Drehwinkel der Welle.

Aus der DE 23 52 851 B2 ist ein induktiver Weggeber be kannt, der eine auf einem Kern fest angeordnete Spule auf weist. In Längsrichtung zum Kern ist ein einzelner oder dop pelter, auf dem Kern berührungslos angeordneter Kurzschlußring aus elektrisch leitendem Material verschieblich gelagert. Die Induktivität der gesamten Anordnung ist von der Stellung des Kurzschlußrings auf dem Kern abhängig. Dieser physikalische Zusammenhang bildet die Grundlage für das Funktionieren des induktiven Weggebers gemäß der DE 23 52 851 B2.

Ebenfalls mit Kurzschlußwicklung arbeitet der aus der DE 25 38 155 C3 bekannte induktive Drehwinkelabgriff.

Die DE 39 19 749 C2 offenbart einen induktiven Drehwinkel geber mit einer Primärspulenanordnung, einer Sekundärspulenan ordnung, einer Spannungsversorgungseinrichtung zum Versorgen der Primärspulenanordnung mit einer Wechselspannung und einer Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen von elektrischer Spannung in der Sekundärspulenanordnung. Ferner ist eine relativ zur Primär- und Sekundärspulenanordnung drehbare, kurzgeschlossene Koppelspule vorgesehen, die vom Magnetfluß der Primärspulenanordnung in jeder auswertbaren Winkelstellung durchsetzt wird. Ein von der mit Wechselspannung gespeisten Primärspulenanordnung erzeugtes elektromagnetisches Feld durchflutet sowohl die Sekundärspulenanordnung als auch die Koppelspule. In der Sekundärspulenanordnung wird eine Wech selspannung und in der Koppelspule ein Kurzschlußstrom induziert. Der Kurzschlußstrom verursacht seinerseits in der Sekundärspulenanordnung eine Spannung, die sich der induzier ten Spannung überlagert. Die aus dieser Überlagerung resultie rende Spannung wird ausgewertet. Sie ist abhängig von der Lage der Koppelspule in Bezug auf die Primär- und Sekundärspulen anordnung und kann folglich als Maß für den zu bestimmenden Drehwinkel verwendet werden. Der mechanische Aufbau des aus der DE 39 19 749 C2 bekannten induktiven Drehwinkelgebers ist allerdings relativ kompliziert und mit wirtschaftlich vertret barem Aufwand nur für einen Meßbereich von 0° bis 240° reali sierbar.

Die DE 37 13 304 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Drehwin kel-Positionsbestimmung mit mindestens einem induktiven Sen der- und Empfängerkopfpaar. Dem Senderkopf wird eine höher frequente Speisespannung zugeführt. Über den Senderkopf er folgt eine Induktion einer Spannung im Empfängerkopf. Die im Empfängerkopf induzierte Spannung wird mittels einer Span nungserfassungseinrichtung erfaßt. Zwischen dem Senderkopf und dem Empfängerkopf ist eine Scheibe aus elektromagnetisch abschirmendem Material drehbar gelagert, wobei die Scheibe so geformt ist, daß je nach Drehstellung der Scheibe Senderkopf und Empfängerkopf ganz, teilweise oder gar nicht voneinander abgeschirmt sind. Auf diese Weise läßt die Größe der im Emp fängerkopf induzierten Spannung einen Rückschluß auf die Lage der Scheibe zu. Die praktische Anwendung dieser Vorrichtung zur Drehwinkel-Positionsbestimmung ist jedoch auf relativ komplizierte Scheibenformen und den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Sender- und Empfängerkopfpaare beschränkt.

Aus der DE 36 42 607 A1 ist ein Inkrement-Positionsmeßwert geber bekannt, der auf dem Prinzip der magnetischen Induk tionskopplung beruht. Primär- und Sekundärspulenanordnung sind auf ein und demselben Träger, dem Stator untergebracht. Der Rotor weist eine Induktionsbeeinflussungseinrichtung auf, die ein Material enthält, das beim Einbringen in das von der Primärspulenanordnung hervorgerufene elektromagnetische Feld die in der Sekundärspulenanordnung induzierte Spannung ab schwächt. Der aus der DE 36 42 607 A1 bekannte Positionsmeß wertgeber ist als Inkrementgeber ausgestaltet. Das bedeutet, daß er zwar relative Drehungen des Rotors erfassen kann, jedoch nicht in der Lage ist, die Absolutstellung des Rotors innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs in Bezug auf ein vorbestimmtes Koordinatensystem anzugeben.

Aus der DE 42 13 866 A1 ist ein Positionssensor zum Erfas sen linearer oder rotatorischer Bewegungen bekannt. Bei diesem Positionssensor ist eine Anzahl von Induktivitäten flächig in linearer Anordnung oder auf einem Kreis aufgebracht. Diese Induktivitäten dienen als frequenzbestimmende Elemente für mehrere Oszillatoren. Ihre Induktivitätswerte werden durch Anwesenheit von metallischen Gegenständen beeinflußt, was gleichzeitig die Oszillatorfrequenzen beeinflußt. Die unter schiedliche Höhe der Oszillationsfrequenzen wird einer Muster erkennung unterzogen und liefert einen Kennwert für das ge suchte Positionssignal.

Aus der DE 42 24 225 C2 ist ein induktiver Weggeber mit einer Primärspulenanordnung und einer Sekundärspulenanordnung bekannt. Dieser Weggeber weist eine Spannungsversorgungsein richtung zum Versorgen der Primärspulenanordnung mit einer Wechselspannung auf. Ferner beinhaltet er eine Spannungserfas sungseinrichtung zum Erfassen von in der Sekudärspulenanord nung induzierter Spannung oder induzierten Spannungen und eine in Bezug auf die Primärspulenanordnung und die Sekundärspulen anordnung bewegliche, als Rotor ausgebildete Induktionsbeein flussungseinrichtung, die geeignet ist, beim Einbringen in ein von der Primärspulenanordnung hervorgerufenes elektromagneti sches Feld die in der Sekundärspulenanordnung induzierten Spannungen zu beeinflussen. Die Induktionsbeeinflussungsein richtung weist ein Material auf, das beim Einbringen in das von der Primärspulenanordnung hervorgerufene elektromagneti sche Feld die in der Sekundärspulenanordnung induzierten Spannungen verstärkt. Der aus der DE 42 24 225 C2 bekannte induktive Weggeber weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf. Die Spulenanordnungen, die Induktionsbeeinflussungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung sind so ausgelegt, daß die Aus werteeinrichtung aus den erfaßten induzierten Spannungen die Absolutstellung des Rotors innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs in Bezug auf ein vorbestimmtes Koordinatensy stem ermittelt. Nachteilig bei dem aus der DE 42 24 225 C2 bekannten induktiven Weggeber ist jedoch, daß die Induktions beeinflussungseinrichtung eine komplizierte und platzaufwendi ge Gestaltung aufweist. Sie besteht aus zwei Kernschalen, von denen wiederum jede aus zwei einstückig miteinander verbunde nen, hohlen, einseitig durch eine Bodenwand abgeschlossenen Halbzylindern, die unterschiedliche Radien haben und so an geordnet sind, daß ihre Zylinderachsen und ihre längs des jeweiligen Zylinderdurchmessers verlaufenden Ränder zusammen fallen, wobei ihre nach außen gekrümmten Halbzylinderwände voneinander weg orientiert sind, besteht. Die beiden Bodenwän de gehen einstückig ineinander über. Ein zentral angeordneter, einstückig verbundener Zapfen erstreckt sich in axialer Rich tung und hat eine axiale Höhe, die größer als die der Halb zylinderwände ist. In Längsrichtung ist der Zapfen von einer konzentrischen Bohrung durchzogen, die zur Aufnahme einer Welle dienen kann. Im zusammengebauten Zustand sind die beiden Kernschalen so miteinander fest verbunden, daß die Stirnflä chen der Zapfen aneinander anliegen und sich die axialen Stirnflächen der Halbzylinderwände beabstandet einander gegen überliegen. Eine solche Induktionsbeeinflussungseinrichtung ist aufwendig in der Herstellung und nimmt relativ viel Platz weg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs gemäßen induktiven Weggeber bereitzustellen, der möglichst platzsparend aufgebaut und einfach herzustellen ist, gleichzeitig jedoch eine gute Meßgenauigkeit aufweist und die Fähigkeit zur Messung der Absolutstellung des Rotors beibe hält.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen induktiven Weggeber nach Patentanspruch 1 und durch einen induktiven Weggeber nach Patentanspruch 2.

Die spezielle Ausgestaltung des Rotors in dem erfindungs gemäßen induktiven Weggeber ermöglicht es, diesen Weggeber besonders flach und damit platzsparend aufzubauen. Der Rotor in dem erfindungsgemäßen induktiven Weggeber ist darüber hinaus weit weniger kompliziert herzustellen als die Induk tionsbeeinflussungseinrichtung in dem Weggber gemäß der DE 42 24 225 C2. Trotzdem ist weiterhin eine unkomplizierte Ermitt lung der Absolutstellung des Rotors möglich. Außerdem kann der induktive Weggeber gemäß Anspruch 1 so robust aufgebaut wer den, daß er auch den harten Bedingungen in Kraftfahrzeugen standhält. Darüber hinaus werden additive Störsignale, die sich aufgrund von Temperatureffekten oder externen elektri schen Störern ergeben, durch Anwendung eines induktiven Diffe renzprinzips auf einfache Art eliminiert.

Die in dem erfindungsgemäßen induktiven Weggeber vorhandene Auswerteeinrichtung weist vorteilhafterweise einen Mikrocompu ter auf.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Sensoreinheit eines als Drehwinkelgeber ausge bildeten erfindungsgemäßen induktiven Weggebers in teilweiser Explosionsdarstellung,

Fig. 2 Planarspulen und Träger des induktiven Drehwinkelge bers in teilweiser Explosionsdarstellung,

Fig. 3 einen Rotor des induktiven Drehwinkelgebers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des induktiven Drehwinkelgebers

Fig. 5a eine schematische Darstellung der Sensoreinheit in Draufsicht,

Fig. 5b eine schematische Darstellung der Sensoreinheit von Fig. 5a mit in Bezug auf Fig. 5a um 120° verdrehtem Rotor und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der induzierten Spitzenspannung in Sekundärspulen der Sensoreinheit vom Drehwinkel des Rotors.

Eine in Fig. 1 in teilweiser Explosionsdarstellung gezeigte Sensoreinheit eines als Drehwinkelgeber ausgebildeten erfin dungsgemäßen induktiven Weggebers weist einen Träger 1 aus Plastoferrit und einen Rotor 3 auf, die beide kreisscheiben förmig ausgebildet sind. Der Rotor 3 ist in Spritzgußtechnik ebenfalls aus Plastoferrit hergestellt und in Fig. 3 separat dargestellt. Auf den Träger 1 ist eine Polyimidfolie geklebt, auf der in Planartechnik zwei Primärspulen 2 und vier Sekun därspulen 4 bis 7 aufstrukturiert sind. Fig. 2 zeigt den Träger 1 und die Planarspulen 2 und 4 bis 7 zur besseren Veranschaulichung in teilweiser Explosionsdarstellung.

Die zwei Primärspulen 2 sind kreisringförmig im Zentrum und am Rand des Trägers 1 angeordnet. Dazwischen befinden sich die vier Sekundärspulen 4 bis 7 in kreisscheibensegmentähnlicher Anordnung. Der Rotor 3 trägt zwei Feldführungsteile 8, 9 aus einem ersten Material, das den Koppelfaktor zwischen den Primärspulen 2 und den Sekundärspulen 4 bis 7 beeinflußt.

Der Rotor 3 ist drehbar in einem Gehäuse derart gelagert, daß die beiden Feldführungsteile 8, 9 stets den Planarspulen 2 und 4 bis 7 zugewandt sind. Mit einem Luftspalt von 0,3 mm dreht er sich berührungslos über den Planarspulen 2 und 4 bis 7. Fig. 5a gibt hierzu eine schematische Darstellung der Sensoreinheit in Draufsicht, und in Fig. 5b ist die Sensorein heit mit in Bezug auf Fig. 5a um 120° verdrehtem Rotor 3 ge zeigt.

Durch die Verwendung von Plastoferrit für den Rotor 3 und den Träger 1 werden die Spulen 2 und 4 bis 7 von äußeren Störfeldern abgeschirmt.

Mittels eines Oszillators 10 (siehe Fig. 4) wird in die Primärspulen 2 eine hochfrequente Trägerspannung eingespeist. Der dadurch erzeugte magnetische Wechselfluß induziert in den Sekundärspulen 4 bis 7 Spannungen. Diese werden von einem Multiplexer 11 der Reihe nach mit einer vorgegebenen Frequenz, z. B. 100 Hz, abgetastet und über einen Verstärker 12 und einen Spitzenwertgleichrichter 13 auf einen Mikrocomputer 14 gege ben.

Die Sekundärspulen 4 bis 7 und die Feldführungsteile 8, 9 sind so angeordnet, daß die Spitzenspannung an den einzelnen Sekundärspulen 4 bis 7 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors 3 einen um jeweils 90° phasenverschobenen Verlauf hat, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Die vier Spitzenspannungs werte werden im Mikrocomputer 14 ausgewertet. Jedes Spitzen spannungsmuster entspricht in dem gezeigten Ausführungsbei spiel in einem Winkelbereich von 0° bis 120° eindeutig einer Drehstellung des Rotors 3, so daß der Mikrocomputer 14 an seinem Ausgang 15 ein den Drehwinkel repräsentierendes analo ges und/oder digitales Signal bereitstellen kann. Der Drehwin kel α ergibt sich aus folgender Beziehung:

α = Drehwinkel
x = Offset
m = Steigung
Us1 = Spg. In Sek.-Spule 1
Us2 = Spg. In Sek.-Spule 2
Us3 = Spg. In Sek.-Spule 3
Us4 = Spg. In Sek.-Spule 4

Mit Ausführungsformen des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers, die andere Geometrien der Sekundärspulen und der Feldführungsteile beinhalten, lassen sich auch beliebige andere Drehwinkelmeßbereiche zwischen 0° und 360° realisieren.

Bei der 360°-Variante besteht der Sensor aus einer Primär- und acht Sekundär-Planarspulen. Die Primärspule umschließt die acht völlig symmetrisch angeordneten Sekundärspulen. Zur Feldführung sind auf dem Rotor drei symmetrisch angeordnete Ferritelemente vorgesehen.

Die Spannungsinduktion in den Sekundärspulen und die Signalaufnahme erfolgen auf die gleiche Weise wie bei der 120°-Variante mit vier Spulen. Mit der Feldführung der acht Sekundärspulen durch drei Ferritelemente erhält man ein Span nungsverhältnis, das wie bei der 120°-Variante auszuwerten ist. Zuvor ist eine Winkelbereichseingrenzung (Bereichsgröße 77,5°) durch Spannungsvergleich der einzelnen Spulen durch zuführen. Da - optimal betrachtet - zwei der drei Feldfüh rungsteile immer eine gleiche Beeinflussungswirkung auf die Spulen haben, können die hieraus gewonnenen Signalformen angeglichen werden. Dies trägt zu einer Minimierung der Meßun genauigkeit bei.

Auf ähnliche Weise lassen sich Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen induktiven Weggebers realisieren, die nicht zur Messung eines Drehwinkels, sondern zur Messung von Strecken dienen.

Claims

1. Induktiver Weggeber mit

- einer Primärspulenanordnung (2),
- einer Sekundärspulenanordnung (4 bis 7),
- einer Spannungsversorgungseinrichtung (10) zum Versor gen der Primärspulenanordnung (2) mit einer Wechsel spannung,
- einer Spannungserfassungseinrichtung (11 bis 13) zum Erfassen von in der Sekundärspulenanordnung (4 bis 7) induzierter Spannung oder induzierten Spannungen und
- einer in Bezug auf die Primärspulenanordnung (2) und die Sekundärspulenanordnung (4 bis 7) beweglichen, als Rotor ausgebildeten Induktionsbeeinflussungseinrichtung (3, 8, 9), die geeignet ist, beim Einbringen in ein von der Primärspulenanordnung (2) hervorgerufenes elektro magnetisches Feld die in der Sekundärspulenanordnung (4 bis 7) induzierte(n) Spannung(en) zu beeinflußen,

wobei

- die Induktionsbeeinflussungseinrichtung (3, 8, 9) ein erstes Material aufweist, das beim Einbringen in das von der Primärspulenanordnung (2) hervorgerufene elek tromagnetische Feld die in der Sekundärspulenanordnung (4 bis 7) induzierte(n) Spannung(en) verstärkt,
- der Weggeber eine Auswerteeinrichtung (14) aufweist, und
- die Spulenanordnungen (2, 4 bis 7), die Induktionsbe einflussungseinrichtung (3, 8, 9) und die Auswerteein richtung (14) so ausgelegt sind, daß die Auswerteein richtung (14) aus der bzw. den erfaßten induzierten Spannung(en) die Absolutstellung des Rotors innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs in Bezug auf ein vorbestimmtes Koordinatensystem ermittelt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Rotor (3) eine Kreisscheibe ist und das erste Mate rial in Form von einem oder mehreren kreisscheibenseg mentähnlichen Abschnitten (8, 9) aufweist,
- die Primärspulenanordnung (2) und die Sekundärspulen anordnung (4 bis 7) auf ein und derselben Seite eines gemeinsamen Trägers (1) angeordnete Planarspulen (2, 4 bis 7) aufweisen,
- vier jeweils kreisscheibensegmentenähnlich angeordnete Sekundärspulen (4 bis 7) und zwei kreisscheibensegment ähnliche Abschnitte (8, 9) aus dem ersten Material vorhanden sind,
- der Rotor (3) dem Träger (1) gegenüber drehbar so gela gert ist, daß die beiden kreisscheibensegmentähnlichen Abschnitte (8, 9) aus dem ersten Material stets den Planarspulen (2, 4 bis 7) zugewandt sind,
- die Sekundärspulen (4 bis 7) und die kreisscheibenseg mentähnlichen Abschnitte (8, 9) aus dem ersten Material so angeordnet sind, daß die Spitzenspannung an den ein zelnen Sekundärspulen (4 bis 7) in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors (3) einen um jeweils 90° phasen verschobenen Verlauf hat.

2. Induktiver Weggeber mit

wobei

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Rotor (3) eine Kreisscheibe ist und das erste Mate rial in Form von einem oder mehreren kreisscheibenseg mentähnlichen Abschnitten (8, 9) aufweist und
- die Primärspulenanordnung (2) und die Sekundärspulen anordnung (4 bis 7) auf ein und derselben Seite eines gemeinsamen Trägers (1) angeordnete Planarspulen (2, 4 bis 7) aufweisen,

sowie weiter gekennzeichnet durch

- acht jeweils kreisscheibensegmentähnliche, symmetrisch angeordnete Sekundärspulen,
- eine ringförmig angeordnete Primärspule, die die Sekun därspulen umschließt und
- drei auf dem Rotor (3) symmetrisch angeordnete kreis scheibensegmentähnliche Abschnitte aus Ferritmaterial.

3. Induktiver Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen Mikrocomputer (14) aufweist.