DE4129576A1 - Magnetisches messsystem zur drehwinkelmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Meßsystem zur Drehwinkelmessung einer drehenden Welle der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem als Resolver bekannten Meßsystem dieser Art sind die beiden Sensorelemente als Empfangsspulen ausgebildet, die gegeneinander um 90° am Umfang des Rotors versetzt angeordnet sind, und der ferromagnetische Rotor trägt eine wechselspannungsgespeiste Spule. Pro Motorumdrehung wird in der einen Empfangsspule eine sinusmodulierte und in der anderen Empfangsspule eine cosinusmodulierte Wechselspannung gleicher Frequenz induziert. Aus dem arcus tan des Quotienten der beiden Wechselspannungen wird der momentane Drehwinkel des Rotors bestimmt.

Ein solcher Resolver liefert den Absolut-Positionswert des Rotors über eine volle Umdrehung und ist als passives, berührungslos arbeitendes Bauelement ohne Halbleiter äußerst robust und wartungsfrei. Sein Nachteil liegt in den relativ hohen Gestehungskosten und in einer nur mäßigen Meßwertauflösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das technisch mindestens gleichwertig, aber deutlich kostengünstiger ist.

Die Aufgabe ist bei einem magnetischen Meßsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Feldplatten Differentialfühler finden heutzutage als berührungslose Sensoren umfangreiche Verwendung und sind - da in großer Stückzahl hergestellt - sehr preiswert im Markt erhältlich. Sie sind weitgehend störsicher, robust und auch für rauhe Betriebsarten und für Betrieb bei hohen Temperaturen gut geeignet. Als Kompaktbauelemente sind sie einfach und platzsparend zu montieren und benötigen einen nur geringen Ansteueraufwand.

Die Verwendung von Feldplatten-Differentialfühler für Drehzahlmesser und Winkelschrittgeber ist bekannt (DE 34 35 867 A1; E. Zabler und F. Heintz "Neue, alternative Lösungen für Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magnetoresistiver Basis", VDI - Berichte Nr. 509, 1984, Seite 263-268). Hierbei ist der Rotor als Zahnrad aus weichmagnetischem Werkstoff ausgebildet, das von einem ortsfest montierten Feldplatten-Differentialfühler abgetastet wird. Die einzelnen Zähne bewegen sich dabei in geringem Radialabstand an den beiden Feldplatten des Feldplatten- Differentialfühlers vorbei und bewirken eine Flußverschiebung von der einen Feldplatte zur anderen. Das Ausgangssignal des Feldplatten-Differentialfühlers wird in einer Brückenschaltung mit nachfolgender Elektronik ausgewertet. Beim Winkelschrittgeber sind zwei Feldplatten- Differentialfühler erforderlich, die bei gleich großem Luftspalt räumlich so gegeneinander versetzt angeordnet werden, daß ihre Ausgangssignale um 90° zueinander phasenverschoben sind. Mit einer geeigneten Auswerteschaltung werden daraus Rechtecksignale generiert und inkrementale Winkelschrittimpulse erzeugt. Solche Meßsysteme eignen sich jedoch nicht zur Erfassung der absoluten Rotorposition während einer Umdrehung.

Das erfindungsgemäße Meßsystem mißt demgegenüber - ebenso wie der eingangs beschriebene Resolver - den Absolutwert der Rotorposition mit hinreichender Auflösung. Das erfindungsgemäße Meßsystem ist kompatibel zu verschiedenen Meßwertdarstellungen, wie inkremental, absolut etc., und kann auch zur Sinuskommutierung von elektronisch kommutierten Synchronmotoren verwendet werden. Für die Bestimmung der Rotorlage zwecks Entkopplung des Synchronmotors reicht eine Genauigkeit von ± 5° aus, was ± 1/72 einer Umdrehung entspricht.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen magnetischen Meßsystems mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Gemäß zweckmäßiger Ausführungsformen der Erfindung kann der Rotor von einer Meßscheibe, die auf ihrer einen Scheibenfläche die rinnenartige Vertiefung in Form einer Spiralnut trägt, oder von einem Meßrad, das auf seinem Umfang die rinnenartige Vertiefung in Form eines Schraubengewindes aufweist, gebildet werden. Im ersten Fall sind die Feldplatten-Differentialfühler axial zur Meßscheibe angeordnet, im zweiten Fall radial zum Meßrad. Die erstbeschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine axiale Verschiebung des Rotors gegenüber den Feldplatten- Differentialfühlern, wie sie bei einseitiger Lagerung der den Rotor tragenden drehenden Welle durch Erwärmung mitunter auftreten kann, zu keiner Meßwertverfälschung führt. Aufgrund der axialen Anordnung der Feldplatten-Differentialfühler ändern sich dabei zwar die Amplituden der Ausgangssignale der beiden Feldplatten-Differentialfühler, nicht aber deren Verhältnis, so daß kein Meßfehler auftritt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein identisch ausgebildeter weiterer Rotor vorgesehen und jeder weitere Rotor über ein Untersetzungsgetriebe von dem vorhergehenden Rotor angetrieben. Jedem weiteren Rotor sind wiederum zwei räumlich feststehende Feldplatten- Differentialfühler in gleicher Weise zugeordnet. Auf diese Weise entsteht ein autarkes Meßsystem, das den Absolutwert der Wellenposition über mehrere Umdrehungen mißt. Der erste Rotor dreht mit der Welle und liefert somit einen absoluten Positionswert der Welle innerhalb einer Umdrehung. Der weitere Rotor dreht über das Meßgetriebe i:1 untersetzt und führt somit im gesamten Arbeitsbereich nur eine Umdrehung aus. Er gibt damit an, in welcher Umdrehung sich der erste Rotor und damit die drehende Welle befindet. Um den Arbeitsbereich zu vergrößern, können weitere Rotoren hinzugefügt werden, die jeweils i:1 untersetzt von dem vorhergehenden Rotor angetrieben werden. Die Meßgenauigkeit der Absolutwertmessung (Absolutspur) mit dem ersten Rotor muß mindestens 1 Umdrehung/2i betragen, wobei i für den Getriebefaktor steht. Bei einer Untersetzung von z. B. 20:1 beträgt damit die geforderte Auflösung 1/40 Umdrehung des ersten Rotors.

Wird das erfindungsgemäße Meßsystem in Verbindung mit einem Getriebemotor eingesetzt, so wird der erste Rotor mit zugeordneten Feldplatten-Differentialfühlern drehfest mit der Motorwelle und der zweite Rotor mit zugeordneten Feldplatten- Differentialfühlern starr mit der Abtriebswelle des Getriebes verbunden. Wie bei dem vorstehend beschriebenen autarken Meßsystem liefert der erste Rotor den Absolutwert innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle und der zweite Rotor die Anzahl der Umdrehungen der Motorwelle, so daß bei der sog. Lageregelung an Werkzeugmaschinen, für die solche Getriebemotoren eingesetzt werden, die Abtriebswelle des Getriebemotors hochgenau positioniert werden kann und ein evtl. Gleichlauffehler des Getriebes ausgeglichen wird. Bezüglich der Forderung nach Auflösung der Meßwerte gilt das vorstehend Ausgeführte in gleicher Weise.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Umfang des mit der drehenden Welle starr verbundenen Rotors, also der Meßscheibe oder des Zahnrades, mit einer Außenverzahnung aus gleichem Material versehen, die in Verbindung mit zwei feststehenden, räumlich zueinander versetzten, die Außenverzahnung abtastenden Feldplatten- Differentialfühlern eine inkrementale Drehwinkelmessung ermöglicht. Die Frequenz der Ausgangssignale der Feldplatten- Differentialfühler beträgt ein Vielfaches der Drehzahl des Rotors, wobei während einer Umdrehung des Rotors der eine Feldplatten-Differentialfühler eine Vielzahl, z. B. 250, von Sinusperioden und der andere Feldplatten-Differentialfühler eine gleiche Anzahl von Cosinusperioden erzeugt. Durch diese sog. Inkrementalspur an der Meßscheibe oder dem Zahnrad wird eine wesentlich höhere Meßwertauflösung erzielt und eine sehr genaue Positionserfassung möglich. Die Meßspur für die Absolutwinkelwerte einer Umdrehung (Absolutspur) braucht dann nur so genau zu sein, daß sie eine Periode der Inkrementalspur auflöst.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Draufsicht eines magnetischen Meßsystems zur Drehwinkelmessung einer drehenden Welle,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Meßsystems in Fig. 1,

Fig. 3 eine elektrische Schaltungsanordnung des magnetischen Meßsystems in Fig. 1 und 2,

Fig. 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs zweier Signale in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht eines magnetischen Meßsystems zur Drehwinkelmessung einer drehenden Welle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines magnetischen Meßsystems in Verbindung mit einem Getriebemotor (Einfachgelenkgetriebe),

Fig. 7 und 8 jeweils eine Seitenansicht eines Rotors eines magnetischen Meßsystems gemäß zweier weiterer Ausführungsbeispiele,

Fig. 9 und 10 jeweils eine Draufsicht (Fig. 9) bzw. Seitenansicht (Fig. 10) eines Rotors eines magnetischen Meßsystems gemäß zweier zusätzlicher Ausführungsbeispiele.

Mit dem in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 in Seitenansicht schematisch skizzierten magnetischen Meßsystem zur Drehwinkelmessung einer drehenden Welle 10 wird der Absolutdrehwinkel der Welle 10 über eine vollständige Umdrehung der Welle 10 erfaßt. Hierzu ist ein Rotor aus weichmagnetischem Material in Form einer Meßscheibe 11 drehfest mit der Welle 10 verbunden. Die Meßscheibe 11 trägt auf ihrer einen Scheibenfläche eine rinnenartige Vertiefung in Form einer Spiralnut 12, die im Beispiel mit drei vollen Umdrehungen über jeweils 360° ausgeführt ist und dabei radial etwa konzentrisch zur Rotorachse von innen nach außen oder umgekehrt verläuft. Räumlich feststehend sind zwei Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 angeordnet, die axial zur Meßscheibe 11 ausgerichtet sind, so daß ihre jeweils beiden in Radialrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten 15, 16 bzw. 17, 18 mit Luftabstand der Spiralnut 12 in Achsrichtung der Meßscheibe 11 gegenüberliegen. Die beiden Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 sind im Ausführungsbeispiel auf einem zur Achse der Meßscheibe 11 konzentrischen Kreisbogen um 90° gegeneinander versetzt. Eine andere räumliche Anordnung der beiden Feldplatten- Differentialfühler 13, 14 ist möglich. Beispielsweise können die beiden Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 auf einer Radialspeiche nebeneinander angeordnet werden. In jedem Fall ist die Anordnung der Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 und die Ausbildung der Spiralnut 12 so zu treffen, daß pro Umdrehung der Meßscheibe 11 eine der beiden Feldplatten- Differentialfühler, hier der Feldplatten-Differentialfühler 13, eine Periode eines annähernden Sinussignals und der andere, hier der Feldplatten-Differentialfühler 14, eine Periode eines annähernden Cosinussignals liefert. Der Aufbau und die Wirkungsweise der Feldplatten-Differentialfühler sind bekannt, so daß hier nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht.

Wie aus der in Fig. 3 skizzierten Schaltungsanordnung hervorgeht, wird jeder Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 mit zwei weiteren Widerständen 30, 31 bzw. 32, 33 in einer Brückenschaltung betrieben, die über den Anschluß a an einer 5 V-Betriebsgleichspannung liegen. Der Brücken-Diagonalzweig ist über die Anschlüsse b und c an jeweils einen Differenzverstärker 19 bzw. 20 gelegt. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker 19, 20 sind einer elektronischen Auswerteeinheit 21 zugeführt. Bei Drehung der Welle 10 und damit der Meßscheibe 11 sind an den Ausgängen der Differenzverstärker 19, 20 die Signale S1 und S2 abnehmbar, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Die beiden Signale sind 90° zueinander phasenverschoben. Während einer vollen Periode des ungefähren Sinussignals S1 und des ungefähren Cosinussignals S2 führt die Welle 10 bzw. die Meßscheibe 11 eine volle Umdrehung aus. In der Auswerteeinheit 21 werden in bekannter Weise die beiden Ausgangssignale S1, S2 ins Verhältnis gesetzt und der momentane Drehwinkel α der Welle 10 bzw. der Meßscheibe 11 als arc tan S1/S2 bestimmt.

In Fig. 5 ist ein magnetisches Meßsystem schematisch in Draufsicht dargestellt, mit welchem der Absolutdrehwinkel der drehenden Welle 10 über mehrere Umdrehungen gemessen werden kann. Wie bei dem Meßsystem in Fig. 1 und 2 sitzt die Meßscheibe 11 mit Spiralnut 12 drehfest auf der drehenden Welle 10. Die Feldplatten-Differentialfühler 13,14 sind in gleicher Zuordnung zur Meßscheibe 11 räumlich feststehend angeordnet und tasten mit ihren Feldplatten 15-18 die Spiralnut 12 auf der Meßscheibe 11 ab. Eine weitere Meßscheibe 11′ mit Spiralnut 12′ wird über ein Meßgetriebe 22, das i:1 untersetzt, von der ersten Meßscheibe 11 angetrieben. Diese Meß- oder Untersetzungsgetriebe 22 ist im Beispiel dadurch realisiert, daß ein auf der Welle 10 drehfest sitzendes Ritzel 34 mit einem am Umfang der Meßscheibe 11′ ausgebildeten Zahnkranz 23 kämmt. Bei einem Getriebefaktor i=20 führt dadurch die Welle 10 bzw. die Meßscheibe 11 bei einer Umdrehung der Meßscheibe 11′ zwanzig Umdrehungen aus. Der Meßscheibe 11′ sind ebenso wie der Meßscheibe 11 zwei Feldplatten-Differentialfühler 13′, 14′ in gleicher Weise wie zu Fig. 1 beschrieben zugeordnet, so daß während einer Umdrehung der Meßscheibe 11′ die beiden Feldplatten-Differentialfühler 13′, 14′ jeweils eine Periode eines annähernden Sinus- bzw. Cosinussignals liefern. Die erste Meßscheibe 11 dreht mit der Welle 10 und liefert in Verbindung mit den Feldplatten-Differentialfühlern 13, 14 innerhalb einer Umdrehung der Welle 10 deren absoluten Positionswert. Die weitere Meßscheibe 11′ wird über das Meßgetriebe 22 i:1 untersetzt und führt somit im ganzen Arbeitsbereich nur eine Umdrehung aus. Damit liefert die Meßscheibe 11′ in Verbindung mit den Feldplatten- Differentialfühlern 13′, 14′ eine Angabe über die Anzahl der Umdrehungen der Welle 10. Somit kann hochgenau die Absolutposition der drehenden Welle 10 über mehrere Umdrehungen gemessen werden. Zur Generierung der Drehwinkelwerte werden die Ausgangssignale der Feldplatten- Differentialfühler 13, 14 und 13′, 14′ über einen Multiplexer 24 der Auswerteeinheit 21 zugeführt, welche in der beschriebenen Weise aus den zugeführten Signalen die Momentanposition der drehenden Welle 10 für mehrere Umdrehung ermittelt.

Zur Verbesserung der Meßwertauflösung, also zur genaueren Bestimmung des Drehwinkels der Welle 10, ist bei dem magnetischen Meßsystem in Fig. 5 die Meßscheibe 11 noch mit einer Außenverzahnung 25 zur inkrementalen Drehwinkelmessung versehen. Der Außenverzahnung 25 sind zwei Feldplatten- Differentialfühler 26 zugeordnet, von denen in Fig. 5 nur ein Feldplatten-Differentialfühler zu sehen ist. Die Feldplatten- Differentialfühler 26 sind radial ausgerichtet, so daß deren Feldplatten mit Luftabstand der Außenverzahnung 25 radial gegenüberliegen und die Zähne der Außenverzahnung 25 sich bei Drehung der Meßscheibe 11 mit geringem Radialabstand an den beiden in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten vorbeibewegen. Die beiden Feldplatten-Differentialfühler 26 sind am Umfang der Meßscheibe 11 räumlich versetzt zueinander derart angeordnet, daß die Ausgangssignale der beiden Feldplatten-Differentialfühler 26 zueinander um 90° phasenverschoben sind. Die Frequenz der Ausgangssignale der Feldplatten-Differentialfühler 26 beträgt ein Vielfaches der Drehzahl der Meßscheibe 11. Während einer Umdrehung der Meßscheibe 11 erzeugt der eine Feldplatten-Differentialfühler 26 eine Vielzahl von Sinusperioden und der andere Feldplatten-Differentialfühler eine gleiche Anzahl von Cosinusperioden. Weist die Außenverzahnung 25 z. B. 250 Zähne auf, so beträgt die Anzahl der Sinus- bzw. Cosinusperioden pro Umdrehung der Meßscheibe 11 250. Innerhalb einer Periode der beiden Signale kann ein Drehwinkel wiederum durch Berechnung des arc tan des Quotienten der Signale gewonnen werden. Ist die Absolutwinkelmessung über Spiralnut 12 und Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 (im folgenden Absolutspur genannt) nunmehr so genau, daß sie eine Periode dieser aus der inkrementalen Drehwinkelmessung (im folgenden Inkrementalspur genannt) gewonnenen Signale auflöst, so kann mit den Signalen der Inkrementalspur ein verfeinerter Meßwert der durch die Absolutspur gewonnenen Drehposition angegeben werden. Dadurch ist eine extreme Feinauflösung der gemessenen Drehwinkel möglich.

In Fig. 6 ist ein magnetisches Meßsystem der beschriebenen Art in Verbindung mit einem Getriebemotor (Robotergelenk) in Seitenansicht schematisch dargestellt. Dabei ist der elektrisch angetriebene Stellmotor mit 27, das Untersetzungsgetriebe mit 28 und eine Bremse zum Stillsetzen des Stellmotors 27 nach vorgegebenem Drehwinkelschritt mit 29 bezeichnet. Mit 11 ist wiederum die Meßscheibe bezeichnet, die drehfest auf der Motorwelle sitzt und wie die Meßscheibe in Fig. 5 eine Spiralnut 12 als Absolutspur und eine Außenverzahnung 25 als Inkrementalspur besitzt. Die entsprechenden Feldplatten-Differentialfühler sind wiederum mit 13 und 14 bzw. mit 26 bezeichnet. Mit der Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes 28 ist drehfest eine weitere Meßscheibe 11′ mit entsprechender Spiralnut 12′ verbunden, der wie in Fig. 5 die beiden Feldplatten-Differentialfühler 13′ und 14′ zugeordnet sind. Die Wirkungsweise des Magnetsystems ist die gleiche wie zu Fig. 5 beschrieben, nur wird hier anstelle des dort verwendeten Meßgetriebes 22 das bereits vorhandene Untersetzungsgetriebe 28 des Getriebemotors verwendet. Mit den beiden Absolutspuren auf der Meßscheibe 11 und der Meßscheibe 11′ wird wiederum der absolute Positionswert der Abtriebswelle des Getriebemotors über mehrere Umdrehung erfaßt. Die Inkrementalspur auf der Meßscheibe 11 dient der Feinauflösung des gemessenen Positionswertes. Die Ausgangssignale der Feldplatten- Differentialfühler 13′, 14′, 13, 14 und 26 sind wiederum über die Multiplexer 24 der Auswerteeinheit 21 zugeführt.

Anstelle einer Meßscheibe kann als Rotor auch ein Meßrad 35 aus weichmagnetischem Material verwendet werden, wie dies in Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Die spiralförmige rinnenartige Vertiefung wird durch ein Schraubengewinde 36 realisiert. Das Schraubengewinde 36 wird wiederum von zwei Feldplatten- Differentialfühler 13, 14 mit Feldplatten 15, 16 abgetastet, die radial zum Meßrad 35 angeordnet und am Umfang des Meßrades 35 räumlich um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die beiden Feldplatten 15, 16 eines jeden Feldplatten- Differentialfühlers 13 bzw. 14 sind dabei in Achsrichtung des Meßrades 35 mit Abstand voneinander angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse der Feldplatten-Differentialfühler 13, 14 sind wiederum in Übereinstimmung mit Fig. 3 mit a, b und c bezeichnet. Die Wirkungsweise eines mit einem solchen Meßrad 35 ausgerüsteten magnetischen Meßsystems ist die gleiche wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben, so daß insoweit auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird.

Das in Fig. 8 dargestellte Meßrad 35′ ist gegenüber dem in Fig. 7 dargestellten Meßrad insofern modifiziert, als zusätzlich zu dem Abschnitt des Schraubengewindes 36 auf dem Umfang des Meßrades 35′ im Abstand von dem Schraubengewindeabschnitt eine ringförmige Außenverzahnung 25 mit axial ausgerichteten Zähnen 37 angeordnet ist. Genau wie bei dem Meßsystem in Fig. 5 sind der Außenverzahnung 25 zwei Feldplatten-Differentialfühler 26 und 26′ zugeordnet, die radial zum Meßrad 35′ angeordnet sind, wobei ihre beiden Feldplatten, von denen in Fig. 8 nur die Feldplatte 38 zu sehen ist, in Umfangsrichtung nebeneinanderliegen. Die Feldplatten-Differentialfühler 26, 26′ sind wiederum am Umfang der Außenverzahnung 25 räumlich versetzt derart angeordnet, daß ihre Ausgangssignale zueinander um 90° phasenverschoben sind. Wie bei dem Meßsystem in Fig. 5 dient die Außenverzahnung 25 als Inkrementalspur, mit welcher eine höhere Meßwertauflösung des mit dem Schraubengewinde 36 als Absolutspur gemessenen Drehwinkels erzielt werden kann. Insofern stimmt das mit einem Meßrad 35′ gemäß Fig. 8 ausgestattete Meßsystem in seiner Wirkungsweise mit dem in Fig. 5 beschriebenen Meßsystem überein, so daß insoweit auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird.

Bei den in Fig. 5 und 8 vorgestellten beiden Meßsystemen mit Absolutspur und Inkrementalspur auf Meßscheibe 11 bzw. Meßrad 35′ läßt sich - wie bereits erwähnt - eine hochgenaue Positionserfassung erreichen. Jedoch ist es - wie ebenfalls bereits ausgeführt - erforderlich, daß die Absolutspur mindestens so genau ist, daß sie eine Periode - besser eine halbe Periode - der Inkrementalspur aufzulösen vermag. Bei dem angenommenen Beispiel von 250 Zähnen auf dem Umfang des Rotors muß also der aus den beiden Signalen der Absolutspur gewonnene Meßwert 1/125 bzw. 1/500 ( = 0,72°) Umdrehung des Rotors genau sein, um dann mittels der Inkrementalspur noch genauer bestimmt werden zu können. In vielen Fällen kann eine so hohe Auflösung durch die Absolutspur nicht erreicht werden. Um dennoch die hochgenaue Positionserfassung zu erhalten, werden die beiden Meßsysteme so modifiziert, wie dies in Fig. 9 und 10 skizziert ist.

Die beiden in Fig. 9 und 10 dargestellten magnetischen Meßsysteme unterscheiden sich von denen zu Fig. 5 und 8 beschriebenen Meßsystemen insofern, als auf dem auf der Welle 10 drehfest sitzenden Rotor etwa konzentrisch zu dessen Achse eine weitere rinnenartige Vertiefung (in Fig. 9 mit 40 und in Fig. 10 mit 55 bezeichnet) angeordnet ist, der wiederum zwei Feldplatten-Differentialfühler 45, 46 mit geringem Luftabstand gegenüberliegen. Die Ausrichtung und Anordnung der Feldplatten-Differentialfühler 45, 46 und der Verlauf der rinnenartigen Vertiefung ist dabei so getroffen, daß während einer Umdrehung des Rotors der eine Feldplatten- Differentialfühler 45 mehrere Perioden des annähernden Sinussignals und der andere Differentialfühler 46 die gleiche Anzahl Perioden eines annähernden Cosinussignals liefert. Aus dem arc tan des Quotienten dieser Signale wird wiederum der momentane Drehwinkel innerhalb der jeweiligen Periode bestimmt, der aber nur für die jeweilige Periode gilt und sich bei der Drehung des Rotors entsprechende der Anzahl der Perioden wiederholt. Mit dem aus der ersten Absolutspur gewonnenen Meßwert ist es jedoch ohne weiteres möglich, festzustellen, in welcher der Perioden dieser Meßwert liegt, ohne das der Meßwert der ersten Absolutspur sonderlich genau sein muß. Unterstellt man in dem vorstehend angegebenen Beispiel eine Ausbildung der zweiten Absolutspur derart, daß pro Umdrehung des Rotors jeweils zehn Sinus- bzw. Cosinusperioden erzeugt werden, so muß die Genauigkeit der Meßwertauflösung der ersten Absolutspur jetzt nur noch 1/25 bzw. 1/50 ( = 7,2°) Umdrehung des Rotors betragen, wobei über die zweite Absolutspur und die Inkrementalspur die gleiche hochgenaue Positionserfassung möglich ist, wie bei den Meßsystemen in Fig. 5 und 8.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem wie in Fig. 5 der Rotor durch die Meßscheibe 11 realisiert wird, ist die rinnenartige Vertiefung durch eine zur Spiralnut 12 bzw. der Welle 10 etwa konzentrische Spirale 40 aus einer Mehrzahl von zueinander parallel verlaufenden Rillen 41-44 gebildet. Die Anzahl der Rillen 41-44 beträgt hier vier, kann aber beliebig gemacht werden und hängt von der gewünschten Anzahl der während einer Umdrehung der Meßscheibe 11 zu erzeugenden Sinus- bzw. Cosinusperioden ab. Die Feldplatten-Differentialfühler 45, 46 sind wie in Fig. 5 mit ihren radial nebeneinanderliegenden Feldplatten 47-50 axial zur Meßscheibe 11 angeordnet. Die Feldplatten- Differentialfühler 45, 46 mit ihren Feldplatten 47-50 sind hier strichliniert angedeutet, um den Relativversatz der beiden Feldplatten-Differentialfühler 45, 46 bezüglich der Rillen 41-44 zu verdeutlichen. In Wirklichkeit stehen sie axial vor der Meßscheibe 11, so daß ihre Feldplatten 47-50 in der dargestellten Ansicht eigentlich nicht zu sehen sind. Um Fertigungskosten einzusparen, sind der Anfang und das Ende der vier Rillen 41-44 um hier 90° gegeneinander versetzt. Bei einer Anzahl von n Rillen wäre ein Versatz von etwa 360°/n möglich. Selbstverständlich können auch alle vier Rillen 41-44 an der gleichen Stelle beginnen und enden. Allerdings würde dies einen höheren Festigungsaufwand bedeuten und ist an und für sich überflüssig, da dieser Bereich der Rillen 41-44 ohnehin nicht genutzt, d. h. von den Feldplatten-Differentialfühlern 45, 46 nicht abgetastet wird.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem wie in Fig. 8 der Rotor durch das Meßrad 35′ realisiert ist, ist die rinnenartige Vertiefung durch ein Mehrfach-Schraubengewinde 55 aus einer Mehrzahl von hier vier parallelen Schraubengängen 51-54 gebildet. Die Anzahl der Schraubengänge 51-54 hängt wiederum von der vorgegebenen Anzahl, der während einer Umdrehung des Meßrades 35′ zu erzeugenden Sinus- bzw. Cosinusperioden ab. Das Mehrfach- Schraubengewinde 55 ist im axialen Abstand von dem zur ersten Absolutspur gehörigen Schraubengewinde 36 angeordnet. Die Differenzverstärker 45, 46 sind mit ihren jeweils in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten, von denen hier nur die Feldplatten 47 und 48 des Feldplatten- Differentialfühlers 45 zu sehen sind, radial zum Meßrad 35′ angeordnet.

Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise der Meßscheibe 11 in Fig. 9 bzw. des Meßrads 35′ in Fig. 10 identisch wie bei den magnetischen Meßsystemen gemäß Fig. 5 und 8, so daß gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Claims (13)

1. Magnetisches Meßsystem zur Drehwinkelmessung einer drehenden Welle, bei welchem zur Erfassung des Absolutdrehwinkels ein Rotor aus magnetisch leitendem Material starr mit der Welle verbunden ist und mit zwei räumlich feststehend und gegeneinander versetzt angeordneten Sensorelementen derart zusammenwirkt, daß während einer Umdrehung des Rotors das eine Sensorelement eine Periode eines annähernden Sinussignals und das andere Sensorelement eine Periode eines annähernden Cosinussignals liefert, und eine Auswerteeinheit aus dem Quotienten der beiden Sensorelement-Ausgangssignale den absoluten Drehwinkel bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11; 35) aus weichmagnetischem Material besteht und eine etwa konzentrisch zur Rotorachse angeordnete rinnenartige Vertiefung (12; 36) aufweist, die spiralförmig mindestens über einen Vollwinkel von 360° verläuft und sich dabei in Radial- oder Axialrichtung des Rotors (11; 35) versetzt, und daß jedes Sensorelement von einem Feldplatten-Differentialfühler (13, 14) gebildet ist, dessen beide Feldplatten (15, 16 bzw. 17, 18) mit geringem Luftabstand der Vertiefung gegenüberliegen.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor von einer Meßscheibe (11) gebildet ist, die auf ihrer Scheibenfläche die rinnenartige Vertiefung in Form einer Spiralnut (12) trägt, und daß die Feldplatten-Differentialfühler (13, 14) mit ihren jeweils in Radialrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten (15, 16 bzw. 17, 18) axial zur Meßscheibe (11) angeordnet sind.

3. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor von einem Meßrad (35, 35′) gebildet ist, das auf seinem Umfang die rinnenartige Vertiefung in Form eines Schraubengewindes (36) trägt, und daß die Feldplatten-Differentialfühler (13, 14) mit ihren jeweils in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten (15, 16) radial zum Meßrad (35) angeordnet sind.

4. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Welle (10) starr verbundenen Meßscheibe (11) zusätzlich eine Außenverzahnung (25) zur inkrementalen Drehwinkelmessung trägt.

5. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Welle (10) starr verbundene Meßrad (35′) zusätzlich eine im Abstand von Schraubengewinde (36) auf seinen Umfang angeordnete ringförmige Außenverzahnung (25) mit axial ausgerichteten Zähnen (37) zur inkrementalen Drehwinkelmessung aufweist.

6. Meßsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenverzahnung (25) zwei Feldplatten-Differentialfühler (26) zugeordnet sind, deren Feldplatten mit Luftabstand der Außenverzahnung (25) radial gegenüberliegen und die am Umfang der Meßscheibe (11) räumlich derart versetzt sind, daß ihre Ausgangssignale zueinander um 90° phasenverschoben sind.

7. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein identisch ausgebildeter weiterer Rotor (11′) vorgesehen ist, daß jeder weitere Rotor (11′) über ein Untersetzungsgetriebe (22) von dem unmittelbar vorgehenden Rotor (11) angetrieben ist und daß jedem weiteren Rotor (11′) wiederum zwei Feldplatten-Differentialfühler (13′, 14′) in gleicher Weise zugeordnet sind.

8. Meßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe zwischen dem ersten und weiteren Rotor (11, 11′) das Getriebe (28) eines Getriebemotors und die mit dem ersten Rotor (11) starr verbundenen Welle die Motorwelle des Getriebemotors ist.

9. Meßsystem nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11, 35′) eine weitere, etwa konzentrisch zur Rotorachse angeordnete rinnenartige Vertiefung (40; 55) aufweist, daß der weiteren Vertiefung (40; 55) zwei Feldplatten- Differentialfühler (45, 46) mit geringem Luftabstand gegenüberliegen und daß die Ausbildung der weiteren Vertiefung (40; 55) und die Zuordnung der Feldplatten- Differentialfühler (45, 46) so getroffen ist, daß während einer Umdrehung des Rotors der eine der Differentialfühler (45, 46) mehrere Perioden eines annäherenden Sinussignals und der andere der Differentialfühler (45, 46) mehrere Perioden eines Cosinussignals liefert.

10. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Vertiefung auf der den Rotor bildenden Meßscheibe (11) durch eine zur Spiralnut (12) etwa konzentrischen Spirale (40) aus einer Mehrzahl von zueinander parallel verlaufenden Rillen (41-44) gebildet ist und daß die weiteren Feldplatten-Differentialfühler (45, 46) jeweils mit in Radialrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten (47-50) axial zur Meßscheibe (11) angeordnet sind.

11. Meßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Anfang und Ende einer jeder Rille (41-44) gegenüber dem Anfang und Ende der benachbarten Rille (41-44) um einen Umfangswinkel versetzt ist, der vorzugsweise etwa dem durch die Anzahl der vorhandenen Rillen geteilten Vollwinkel von 360° entspricht.

12. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Vertiefung auf dem den Rotor bildenden Meßrad (35′) von einem Mehrfach-Schraubengewinde (55) aus einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden Gewindegängen (51-54) gebildet ist, das im Abstand vom ersten Schraubengewinde (36) auf dem Meßrad (35′) ausgebildet ist, und daß die weiteren Feldplatten- Differentialfühler (45, 46) mit ihren jeweils in Achsrichtung nebeneinanderliegenden Feldplatten (47, 48) radial zum Meßrad (35′) angeordnet sind.

13. Meßsystem nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der parallelen Rillen (41-44) in der Spirale (40) bzw. der parallelen Gewindegänge (51-55) im Mehrfach-Schraubengewinde (55) der vorgegebenen Anzahl der während einer Rotorumdrehung zur erzeugenden Sinus- bzw. Cosinusperiode entspricht.