DE4229610A1 - Absolute position sensor for multi-turn angular detection - has shaft located rotatably in stator for determining exact angular position of transmitter during complete revolution and includes buffer battery - Google Patents

Absolute position sensor for multi-turn angular detection - has shaft located rotatably in stator for determining exact angular position of transmitter during complete revolution and includes buffer battery

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DE4229610A1
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Manfred Fleig
Harry Heddergott
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Abstract

The position sensor includes a mechanical closing switching element and a rotatable operating part for this element, connected to the sensor shaft (5). A buffer battery provides power upon failure of an external power supply. The circuit has at least one very high resistance (31), in series with the closed switching element (17), to limit the current in this circuit. A logic circuit (24,25), a counter(26), the switching element(15,17), and the buffer battery (21) are completely integrated in the rotation transmitter to form a compact unit. ADVANTAGE - Retains information without external power supply.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber zur Absolutwertspositionserfassung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a rotary encoder Absolute value position detection according to the generic term of Claim 1.

Drehgeber mit einer Absolutwertpositionserfassung werden üblicherweise mit einer Winkelkodierscheibe und entsprechenden optischen Abtastvorrichtungen (mit z. B. LED, Photodioden etc.) hergestellt. Mit Hilfe einer solchen Scheibe kann die absolute Winkelposition einer mit dieser Scheibe verbundenen Drehgeberwelle innerhalb eines Winkelintervalls von 0° bis 360° erfaßt werden. Ein Winkelbereich über mehrere Umdrehungen ist mit einer einzigen Scheibe nicht meßbar, da sich ihre Kodierung nach Durchlaufen einer Umdrehung naturgemäß wiederholt.Encoder with an absolute value position detection usually with an angle encoder and corresponding optical scanning devices (with e.g. LEDs, photodiodes etc.). With the help of one Disc can be the absolute angular position with this one Encoder shaft connected within a disc Angular intervals from 0 ° to 360 ° can be detected. A Angular range over several revolutions is with one single disc is not measurable since its coding is based on Repeatedly going through one revolution.

Drehgeber mit einer absoluten Positionswerterfassung über mehrere Umdrehungen hinweg, sogenannte Multiturndrehgeber, sind infolge dessen in verschiedenen Ausführungsformen bekannt geworden.Encoder with an absolute position value acquisition via several turns, so-called multi-turn encoders, are consequently in different embodiments known.

So wurden beispielsweise mehrere Winkelkodierscheiben über ein Untersetzungsgetriebe miteinander verbunden zum Einsatz gebracht. Das Untersetzungsgetriebe bewirkt, daß die jeweils nachgeschaltete Winkelkodierscheibe bei einer vollständigen Umdrehung der vorgeschalteten Winkelkodierscheibe um eine, ihrem Auflösungsvermögen entsprechende Einheit gedreht wird. Die Funktionsweise eines solchen Multiturngebers ist mit einer herkömmlichen Analoguhr mit verschiedenen Zeigern vergleichbar. Bei einem solchen Drehgeber vervielfacht sich jedoch entsprechend der Anzahl der Kodierscheiben auch die Anzahl der optischen Abtastsysteme. Dieser Umstand sowie der Aufwand, der durch die erforderliche hohe Präzision für das Untersetzungsgetriebe verursacht wird, sind bei dieser Lösung von großem Nachteil.For example, several angle encoders were used a reduction gear connected to each other for use  brought. The reduction gear causes the Downstream angle encoder in each case complete rotation of the upstream Angle encoder by one, its resolving power corresponding unit is rotated. How it works of such a multi-turn encoder is with a conventional one Analog clock comparable with different hands. At a However, such an encoder multiplies accordingly Number of coding disks also the number of optical Scanning systems. This fact, as well as the effort involved the high precision required for that Reduction gears are caused by this Solution of great disadvantage.

Desweiteren wurden Multiturndrehgeber entwickelt, die zwar nur mit einer Winkelmeßvorrichtung zur Erfassung eines Winkelbereichs zwischen 0° und 360° versehen sind, jedoch zur Erfassung der vollständig durchlaufenen Umdrehungen eine Zähleinheit aufweisen. Diese Kombination ermöglicht zwar eine Erweiterung des Meßbereichs des Drehgebers auf die maximal von der Zähleinheit erfaßbare Anzahl von Umdrehungen, erfordert jedoch andererseits eine ständige Stromversorgung der Zähleinheit und der Abtastvorrichtung der Winkelkodierscheibe. Bei einer Unterbrechung der Stromversorgung der Zähleinheit geht die darin enthaltene Information verloren. Das Abschalten der Stromversorgung für die Abtastvorrichtung der Winkelkodierscheibe bewirkt außerdem, daß die Zähleinheit neu hinzukommende oder rückgängig gemachte Umdrehungen nicht mehr registrieren kann. Somit geht bei einer Verdrehung der Drehgeberwelle auch in diesem Fall die Information über die absolute Position verloren.Furthermore, multi-turn encoders have been developed only with an angle measuring device to detect a Angular range between 0 ° and 360 ° are provided, however to record the complete revolutions have a counting unit. This combination enables an extension of the measuring range of the encoder the maximum number of Revolutions, on the other hand, requires a constant Power supply to the counting unit and the scanning device the encoder disk. If the Power supply to the counting unit goes the contained therein Information lost. Switching off the power supply for the scanning device of the encoder also that the counting unit is new or no longer register reversed revolutions can. So there is a rotation of the encoder shaft also in this case the information about the absolute Lost position.

Um diesen Nachteil zu beheben, wurde im folgenden die Stromversorgung des Drehgebers mit Hilfe einer Batterie oder eines Akkumulators gepuffert. So ist beispielsweise mit der europäischen Anmeldung EP 04 66 209 A2 ein Multiturndrehgeber bekannt geworden, der eine Winkelkodierscheibe mit der entsprechenden optischen Nachweisvorrichtung zur Erfassung des Absolutwinkels innerhalb einer Umdrehung aufweist und außerdem einen separaten magnetischen Signalgeber sowie eine Zähleinheit zur Erfassung vollständig durchlaufener Umdrehungen umfaßt. Der genannte Drehgeber wird bei Stromausfall über eine externe Batterie gepuffert.In order to remedy this disadvantage, in the following the The encoder is powered by a battery or buffered by an accumulator. For example  with the European application EP 04 66 209 A2 Multi-rotary encoders become known, the one Angle coding disk with the corresponding optical Detection device for recording the absolute angle within one revolution and also one separate magnetic signal generator and a counting unit for detecting revolutions that have been completed. The named encoder is used in the event of a power failure external battery buffered.

Eine solche Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie ständig wenigstens mit der Hilfsspannungsversorgung verbunden sein muß, um die gespeicherte Information nicht zu verlieren. In vielen Fällen, beispielsweise bei einem Einsatz eines Multiturndrehgebers in einem Roboter, ist es jedoch wünschenswert, daß der Drehgeber seine Information beim Abklemmen äußerer Zuleitungen nicht verliert und darüberhinaus die Bewegungen der Drehgeberwelle weiterhin erfaßt. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn ein Roboter zu Testzwecken aufgebaut wird, um anschließend für die Lieferung wieder in einzelne Komponenten zerlegt zu werden. In einem solchen Fall sind Multiturndrehgeber wünschenswert, die auch nach oder während der Zerlegung des Roboters die Bewegungen und Stellungen der einzelnen Komponenten erfassen, so daß die Anlage nach deren Wiederzusamnensetzen nicht in ihren Einzelteilen neu justiert werden braucht.Such a device has the disadvantage that it is constantly be connected at least to the auxiliary power supply in order not to lose the stored information. In many cases, for example when using a Multi-rotary encoder in a robot, however, it is desirable that the encoder its information at Disconnecting external leads does not lose and furthermore the movements of the encoder shaft continue detected. This is particularly necessary if a Robot is set up for test purposes, then for the delivery is broken down into individual components will. In such a case there are multiturn encoders desirable even after or during the disassembly of the Robot's movements and positions of each Capture components so that the system according to their Reassembling is not new in its parts needs to be adjusted.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen preiswerten Multiturndrehgeber vorzuschlagen, der ohne externe Spannungsversorgung seine Information zuverlässig erhält und die absolute Position der Drehgeberwelle über eine Vielzahl von Umdrehungen erfaßt. Die Pufferung im Falle abgehängter externer Spannungsversorgung soll hierbei sehr großzügig, d. h. über einen Zeitraum von mehreren Jahren, sichergestellt werden.The invention is therefore based on the object propose inexpensive multi-turn encoders without external power supply its information reliable receives and the absolute position of the encoder shaft recorded a large number of revolutions. Buffering in In the event of a suspended external power supply, this should  very generous, d. H. over a period of several Years.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.

Demgemäß wird bei einem erfindungsgemäßen Drehgeber wenigstens ein mechanisch schließendes Schaltelement in Verbindung mit einem rotierbaren Betätigungsteil, das fest mit der Geberwelle verbunden ist, eingesetzt. Der Strom, der in geschlossenem Zustand über dieses Schaltelement fließt, wird über eine Reihenschaltung mit einem sehr hochohmigen Widerstands begrenzt. Außerdem wird die Logikschaltung zur Pulsformung und zur Pulsselektion, die aus dem Signal des Schaltelementes bei durchdrehendem Betätigungsteil ein logisches Signal pro Umdrehung der Geberwelle generiert sowie die Zähleinheit mit Hilfe von wenigstens einem integrierten Schaltkreis ebenfalls sehr hochohmig ausgelegt. Aufgrund des auf diese Weise extrem reduzierten Stromverbrauchs kann die Pufferbatterie bzw. der Akkumulator so klein gewählt werden, daß diese ebenso wie die genannten elektronischen Schaltungen in die Drehgebereinheit integrierbar ist. Ein derartiger, mit den genannten Komponenten versehener Drehgeber bildet eine kompakte bauliche Einheit und ist ohne externe Stromversorgung über Jahre hinaus funktionsfähig.Accordingly, in an encoder according to the invention at least one mechanically closing switching element in Connection with a rotatable actuator that is fixed is connected to the encoder shaft. The current, which in the closed state via this switching element flows through a series connection with a very limited high resistance. In addition, the Logic circuit for pulse shaping and pulse selection, the from the signal of the switching element when spinning Actuator a logical signal per revolution of the Encoder shaft generated as well as the counting unit with the help of at least one integrated circuit also very much designed with high impedance. Because of the extreme in this way the buffer battery or the accumulator should be chosen so small that it is the same like the electronic circuits mentioned in the Encoder unit can be integrated. Such a, with the Components provided encoder forms one compact structural unit and is without external Power supply works for years.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen der Erfindung möglich.By the measures mentioned in the subclaims advantageous designs and developments of Invention possible.

Eine einfache und robuste Ausführung der Erfindung ist mit einem mechanisch wirkenden Betätigungsteil versehen. Ein solches Betätigungsteil kann als Nocken auf der Geberwelle ausgebildet sein, der zwei Kontaktzungen mit den Umdrehungen der Geberwelle öffnet bzw. schließt. A simple and robust embodiment of the invention is included a mechanically acting actuator. A such actuator can be used as a cam on the encoder shaft be formed of the two contact tongues with the Revolutions of the encoder shaft opens or closes.  

Für ein berührungslos arbeitendes Betätigungsteil empfiehlt sich die Verwendung eines magnetischen Ringes, der über einen Teil seines Umfanges aus einem permanentmagnetischen und zum anderen Teil aus unmagnetischem Material besteht, wobei das Schaltelement als Reed Schalter ausgebildet ist, der bei einer Umdrehung dieses Ringes jeweils einmal geöffnet oder geschlossen wird.Recommended for a contactless operating part the use of a magnetic ring that over part of its circumference from a permanent magnetic and the other part is made of non-magnetic material, the switching element being designed as a reed switch, the one at a turn of this ring once is opened or closed.

Durch die Verwendung zweier Schaltelemente, die unter einem Winkel von beispielsweise α=45° zum Nulldurchgang der Winkelmeßvorrichtung angeordnet sind, sowie zweier entsprechender Logikschaltungen zur Erzeugung von Impulsen und zweier Zähler läßt sich der aktuelle Zählerstand mit dem Nulldurchgang der Winkelmeßvorrichtung synchronisieren. Der Zähler, der mit dem bei der jeweiligen Drehrichtung vor dem Nulldurchgang der Winkelmeßvorrichtung schaltenden Schaltelement gekoppelt ist, beinhaltet zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs immer den korrekten Wert. Je nach Drehrichtung muß also am Datenausgang zwischen den beiden Zählern hin- und hergeschaltet werden.By using two switching elements under one Angle of, for example, α = 45 ° to the zero crossing of the Angle measuring device are arranged, and two corresponding logic circuits for generating pulses and two counters, the current meter reading can be used synchronize the zero crossing of the angle measuring device. The counter with the one in front of the respective direction of rotation switching the zero crossing of the angle measuring device Switching element is coupled at the time of Zero crossing always the correct value. Depending on The direction of rotation must therefore be at the data output between the two Counters can be switched back and forth.

Bei einer Logikschaltung, die sowohl bei der ansteigenden als auch bei der abfallenden Flanke des Schaltsignals einen Impuls generiert, sollte der schließend wirksame Winkelbereich des Betätigungsteils größer als der von den beiden Schaltelementen eingeschlossene Winkel α und α′ sein. Bei einem solchen Winkelbereich beispielsweise von 180° kann der Schaltzustand des einen Schaltelementes dazu verwendet werden, um von den dem anderen Schaltelement zugehörigen Impulsen jeweils einen Impuls pro Umdrehung zu unterdrücken. Dadurch erhält man am Ausgang der Logikschaltung zu jedem Schaltelement pro Umdrehung genau ein Signal. In the case of a logic circuit which is used both for the rising as well as on the falling edge of the switching signal Generated impulse, the closing should be effective Angular range of the actuating part larger than that of the both switching elements included angles α and α ′ be. With such an angular range, for example The switching state of the one switching element can be 180 ° used to switch from the other switching element associated pulses one pulse per revolution suppress. This gives you the exit at the Logic circuit for each switching element exactly per revolution a signal.  

Ein Rechtecksignal läßt sich an einer Flanke eines Schaltzustandes eines Schaltelementes beispielsweise mit Hilfe eines Zeitverzögerungsgliedes und eines logischen Antivalenzgatters erzeugen. Die Zeitverzögerung des Zeitverzögerungsgliedes ergibt dabei genau die Breite des Impulses.A square wave signal can be found on one edge of a Switching state of a switching element, for example with With the help of a time delay element and a logical one Generate antivalence gates. The time delay of the Time delay element gives exactly the width of the Impulse.

Liegt auf diese Weise nur noch an jeder zweiten Flanke des ursprünglichen Schaltsignals ein logischer Impuls hinter der Logikschaltung vor, so beinhaltet die Tatsache, ob es sich um eine ansteigende oder abfallende Flanke handelt, die notwendige Information über die Drehrichtung.In this way it only lies on every second flank of the original switching signal a logical pulse behind before the logic circuit, so the fact of whether there is is a rising or falling edge, the necessary information about the direction of rotation.

Die oben angeführte Unterdrückung jedes zweiten, auf das eine Schaltelement zurückführenden Impulses mit Hilfe des Signals des anderen Schaltelements kann wiederum mit einem Logikgatter durchgeführt werden.The above-mentioned suppression of every second one a switching element returning pulse using the Signals of the other switching element can in turn with a Logic gates are performed.

Das Hin- und Herschalten zwischen den beiden Zählern geschieht vorzugsweise mit Hilfe eines Multiplexers, der den jeweils aktuellen Zählerinhalt im Takt mit dem höchstwertigen Bit der von der Winkelmeßvorrichtung abgelesenen binären Zahl auf den Datenausgang des Drehgebers durchschaltet. Auf diese Weise wird der am Ausgang anliegende Datenwert des Drehgebers mit dem Nulldurchgang der Winkelmeßvorrichtung während der Rotation der Geberwelle synchronisiert.Switching back and forth between the two counters is preferably done with the help of a multiplexer that the current counter content in time with the most significant bit of that from the angle measuring device read binary number on the data output of the Encoder switches through. In this way the Encoder output data value with the Zero crossing of the angle measuring device during rotation the encoder shaft synchronized.

Besonders vorteilhaft ist die Implementierung der genannten Logikschaltungen zur Pulsformung und Pulsselektion auf einen sogenannten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC). Hierdurch kann die Schaltung besonders hochohmig ausgelegt werden und gleichzeitig äußerst platzsparend ausgebildet sein. Dies ist insbesondere im Hinblick darauf, daß alle genannte Komponenten vollständig in die Drehgebereinheit integriert werden, von großem Vorteil.The implementation of the above is particularly advantageous Logic circuits for pulse shaping and pulse selection a so-called application-specific integrated Circuit (ASIC). This makes the circuit special be designed with high impedance and at the same time extremely be designed to save space. This is especially true in Considering that all of the above components are complete  be integrated into the encoder unit, of great Advantage.

Die Winkelmeßvorrichtung kann eine optische, eine kapazitive oder eine induktive Abtastvorrichtung umfassen. Ein an die Abtastvorrichtung angepaßtes Winkelkodierteil, das mit der Drehgeberwelle rotiert, beispielsweise eine Winkelkodierscheibe für eine optische Abtastvorrichtung, ist hierbei vorzusehen.The angle measuring device can be an optical one capacitive or an inductive scanning device. An angle coding part adapted to the scanning device, that rotates with the encoder shaft, for example one Angle coding disk for an optical scanning device, is to be provided here.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is in the description below explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drehgeber, Fig. 1 shows a longitudinal section through an inventive encoder,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen magnetischen Signalgeber, wie er in einem erfindungsgemäßen Drehgeber Verwendung findet, Fig. 2 is a schematic plan view of a magnetic transducer, such as is used in an inventive encoder,

Fig. 3 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitung, Fig. 3 is a block diagram of the signal processing,

Fig. 4 ein Schaltbild der signalverarbeitenden elektronischen Schaltung und Fig. 4 is a circuit diagram of the signal processing electronic circuit and

Fig. 5 ein Diagramn zur Darstellung des Zeitverlaufs verschiedener Spannungspegel in der Schaltung nach Fig. 4 während der Betätigung des Drehgebers. Fig. 5 is a diagram showing the timing of different voltage levels in the circuit of Fig. 4 during the operation of the encoder.

Fig. 1 zeigt einen Drehgeber 1 mit einem Drehgebergehäuse 2, das aus einem Stator 3 und einem Gehäusedeckel 4 besteht. Von unten durchsetzt eine Geberwelle 5, die durch Kugellager 6 drehbar gelagert ist, den Stator 3. Das Innere des Gehäuses 2 wird durch eine Abschirmplatte 7 in einen oberen 8 und einen unteren Teil 9 aufgeteilt. Im unteren Teil 9 befinden sich die Komponenten des Drehgebers 1, die zur Erfassung der Winkelposition innerhalb einer Umdrehung (Singleturngeber) vorgesehen sind. Im einzelnen sind dies eine Winkelkodierscheibe 10, die von einer optischen Sendeeinheit 11 von unten her beleuchtet wird. Oberhalb der Winkelkodierscheibe 10 befindet sich eine Empfängerleiterplatte 12, die nicht dargestellte optische Sensoren sowie eine Empfängerschaltung aufweist. Fig. 1 shows a rotary encoder 1 with a rotary encoder housing 2 , which consists of a stator 3 and a housing cover 4 . An encoder shaft 5 , which is rotatably supported by ball bearings 6 , passes through the stator 3 from below. The inside of the housing 2 is divided by a shielding plate 7 into an upper 8 and a lower part 9 . In the lower part 9 there are the components of the rotary encoder 1 , which are provided for detecting the angular position within one revolution (single-turn encoder). In detail, these are an angle coding disk 10 , which is illuminated from below by an optical transmitter unit 11 . A receiver circuit board 12 , which has optical sensors (not shown) and a receiver circuit, is located above the angle encoder disk 10 .

Im oberen Teil 8 des Drehgebers 1 befindet sich ein Magnethalter 13, der auf die Geberwelle 5 aufgesteckt ist. Der über die Geberwelle 5 gesteckte Teil 14 des Magnethalters 13 durchsetzt die Abschirmplatte und ragt in den unteren Teil 9 des Drehgebers 1 hinein. Auf dem Magnethalter 13 ist an der Oberseite ein magnetischer Ring 15 befestigt. Eine Schraube 16 fixiert den Magnethalter 13 auf der Geberwelle 5. Oberhalb des magnetischen Ringes befinden sich zwei Reedschalter 17a, b innerhalb ihrer Abschirmkappen 18a, 18b. Die beiden Reedschalter 17a, 17b sind auf einer Leiterplatte 19 befestigt, auf der die nicht eingezeichneten Schaltungen zur Signalformung und Selektion sowie die Zähler aufgebaut sind. An die Leiterplatte 19 schließt sich nach oben hin eine Leiterplatte 20 mit einer Gleichspannungsquelle sowie eine Batterie 21 an.In the upper part 8 of the rotary encoder 1 there is a magnet holder 13 which is plugged onto the encoder shaft 5 . The part 14 of the magnet holder 13 inserted over the encoder shaft 5 passes through the shielding plate and projects into the lower part 9 of the rotary encoder 1 . A magnetic ring 15 is attached to the magnet holder 13 at the top. A screw 16 fixes the magnet holder 13 on the encoder shaft 5 . Above the magnetic ring there are two reed switches 17 a, b within their shield caps 18 a, 18 b. The two reed switches 17 a, 17 b are attached to a circuit board 19 on which the circuits for signal shaping and selection, not shown, and the counters are constructed. At the top of the circuit board 19 there is a circuit board 20 with a DC voltage source and a battery 21 .

Die Komponenten im unteren Teil 9 des Drehgebers arbeiten in der von herkömmlichen Winkelturndrehgeber bekannten Weise zur Winkelauflösung innerhalb einer Umdrehung der Geberwelle 5.The components in the lower part 9 of the rotary encoder work in the manner known from conventional angular rotary encoders for angular resolution within one revolution of the encoder shaft 5 .

Die Anordnung der beiden Reedschalter 17a, 17b im oberen Teil 8 des Drehgebers ist in der schematischen Draufsicht von Fig. 2 dargestellt. Sie stehen unter einem Winkel von α bzw. α′≈45° zur Linie 22, die dem Nulldurchgang der Winkelkodierscheibe 10 entspricht. Der magnetische Ring 15 ist aus einem magnetischen 23a und einem nicht magnetischen Teil 23b zusammengesetzt, so daß die Reed-Schalter dann geöffnet sind, wenn sich der magnetische Teil 23a des magnetischen Ringes unter ihnen befindet, und im anderen Fall geschlossen sind.The arrangement of the two reed switches 17 a, 17 b in the upper part 8 of the rotary encoder is shown in the schematic plan view of FIG. 2. You are at an angle of α or α'≈45 ° to line 22 , which corresponds to the zero crossing of the encoder 10 . The magnetic ring 15 is composed of a magnetic 23 a and a non-magnetic part 23 b, so that the reed switches are open when the magnetic part 23 a of the magnetic ring is below them, and are closed in the other case.

Die so durch die verschiedenen Schaltzustände der Reed- Schalter 17a, 17b erzeugten Signale werden gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbild weiter verarbeitet. Die von den Reed-Schaltern als Impulsgeber 17a, 17b erzeugten Signale gelangen in eine elektronische Schaltung zur Impulsformung 24, die aus jeder Flanke ihres Eingangssignals einen logischen Rechteckimpuls bildet. Im Anschluß daran werden diese Rechteckimpulse in einer Schaltung 25 zur Impulsselektion dergestalt selektiert, daß am Ausgang dieser Schaltung jeweils ein Rechteckimpuls pro Umdrehung der Geberwelle 5 anliegt. Diese so bearbeitenden Impulse werden schließlich in zwei Zählern gezählt und gespeichert. Da die beiden Reed-Schalter unter einem Winkel α bzw. α′ zum Nulldurchgang 22 stehen, läuft also bei einer bestimmten Drehrichtung der aktuelle Zählerstand des einen Zählers dem tatsächlichen Wert voraus, während der Zählerstand des anderen Zählers hinterherläuft. Über eine Schaltung zur Datenselektion 27 wird der Zähler mit dem jeweils richtigen Datenbestand ausgewählt und synchron mit dem Nulldurchgang der Winkelkodierscheibe 10 zu deren Ausgang durchgeschaltet.The signals generated in this way by the different switching states of the reed switches 17 a, 17 b are further processed in accordance with the block diagram shown in FIG. 3. The signals generated by the reed switches as pulse generators 17 a, 17 b enter an electronic circuit for pulse shaping 24 , which forms a logic square pulse from each edge of its input signal. Subsequently, these square-wave pulses are selected in a circuit 25 for pulse selection in such a way that one square-wave pulse per revolution of the encoder shaft 5 is present at the output of this circuit. These impulses processed in this way are finally counted and stored in two counters. Since the two reed switches are at an angle .alpha. Or .alpha. 'To the zero crossing 22 , the current counter reading of one counter runs ahead of the actual value in a certain direction of rotation, while the counter reading of the other counter lags behind. Via a circuit for data selection 27 , the counter with the respectively correct data stock is selected and switched through synchronously with the zero crossing of the angle coding disk 10 to its output.

In Fig. 4 ist eine mögliche Schaltung für eine Signalverarbeitung nach Fig. 3 dargestellt. Eine externe Spannungsversorgung 28 sowie eine Lithiumbatterie 29 liefern je nach Bedarf die Betriebsspannung für die folgende Schaltung. Die beiden Reed-Schalter 17a, 17b schalten je nach Schaltzustand die beiden Stromleitungen 30a, 30b über zwei sehr hochohmige und damit strombegrenzende Widerstände 31a, 31b gegen die Schaltungsmasse. Dadurch variieren je nach Schaltzustand die Spannungen Va, Vb, die in den Signalleitungen 32a, 32b anliegen. Durch die Verwendung eines Zeitverzögerungsgliedes 33a, 33b und eines Anitvalenzgatters 34a, 34b wird ein Rechteckimpuls A bzw. B am Ausgang der Antivalenzgatter 34a, 34b erzeugt. Mit Hilfe von Und-Gattern 34a, 34b sowie den jeweils dem anderen Datenkanal zuzuordnenen Spannungen Va, Vb der Signalleitungen 32a, 32b wird genau ein Rechteckimpuls A′ bzw. B′ pro Umdrehung der Geberwelle selektiert. In den Zählern 26a, 26b werden die Signale gezählt und gespeichert. Ein Multiplexer 36 selektiert den jeweils aktuellen Datenkanal und schaltet dessen Zählerstand auf seinen Ausgang durch. FIG. 4 shows a possible circuit for signal processing according to FIG. 3. An external power supply 28 and a lithium battery 29 supply the operating voltage for the following circuit as required. Depending on the switching state, the two reed switches 17 a, 17 b switch the two power lines 30 a, 30 b against the circuit ground via two very high-impedance and thus current-limiting resistors 31 a, 31 b. As a result, depending on the switching state, the voltages Va, Vb which are present in the signal lines 32 a, 32 b vary. By using a time delay element 33 a, 33 b and an Anitvalenzgates 34 a, 34 b, a rectangular pulse A or B is generated at the output of the antivalence gates 34 a, 34 b. With the help of AND gates 34 a, 34 b and the voltages Va, Vb of the signal lines 32 a, 32 b assigned to the respective other data channel, exactly one square-wave pulse A 'or B' is selected per revolution of the encoder shaft. The signals are counted and stored in the counters 26 a, 26 b. A multiplexer 36 selects the current data channel and switches its counter reading through to its output.

Der Zeitverlauf der verschiedenen Signale während des Drehens der Geberwelle ist in Fig. 5 dargestellt. Das oberste Diagramm stellt das höchstwertige Bit MSB am Ausgang des im unteren Teil 9 des Drehgebers 1 befindlichen Singleturndrehgebers. Dieses Bit wird genau mit dem Nulldurchgang der Geberwelle zum Zeitpunkt to gesetzt und bei 180° auf "Low" geschaltet. Die beiden nach unten anschließenden Diagramme spiegeln den Spannungsverlauf Va, Vb in den Signalleitungen 32a, 32b wieder. Der Signalverlauf entspricht dem des höchstwertigen Bit MSB, ist jedoch jeweils um eine Zeit tα, tα′, in der sich die Geberwelle 5 um die Winkel α bzw. α′ dreht, versetzt. Die beiden folgenden Diagramme stellen die Impulse A, B am Ausgang der Antivalenzgatter 34a, 34b dar. Die Breite der Rechteckimpulse A, B entspricht genau der Zeitverzögerung der Zeitverzögerungsglieder 33a, 33b. Die beiden darunterliegenden Diagramme machen deutlich, daß am Ausgang der Und-Gatter 35 nur noch jedes zweite Rechtecksignal A′, B′ selektiert werden. Demzufolge werden mit dem Eingang dieser Rechtecksignale A′, B′ die untersten Datenbits, Da, Db der beiden Zähler 26a, 26b geschaltet. Das unterste Diagramm zeigt anhand des niedrigsten Datenbits Da, Db, wie der, entsprechend der Drehrichtung aktuelle Zählerstand, in diesem Fall Db synchron mit dem höchstwertigen Bit der Winkelkodierscheibe MSB am Ausgang des Multiplexers 27 als Datenbit Dm ausgegeben wird.The time course of the various signals during the rotation of the encoder shaft is shown in FIG. 5. The top diagram shows the most significant bit MSB at the output of the single-turn encoder located in the lower part 9 of the encoder 1 . This bit is set exactly with the zero crossing of the encoder shaft at time t o and switched to "Low" at 180 °. The two diagrams following below reflect the voltage curve Va, Vb in the signal lines 32 a, 32 b. The signal curve corresponds to that of the most significant bit MSB, but is offset by a time tα, tα ', in which the encoder shaft 5 rotates by the angles α and α'. The following two diagrams represent the pulses A, B at the output of the antivalence gates 34 a, 34 b. The width of the rectangular pulses A, B corresponds exactly to the time delay of the time delay elements 33 a, 33 b. The two diagrams below make it clear that only every second square-wave signal A ', B' are selected at the output of the AND gate 35 . Accordingly, the lowest data bits, Da, Db of the two counters 26 a, 26 b are switched with the input of these square-wave signals A ', B'. The lowest diagram shows, based on the lowest data bit Da, Db, how the current counter reading in accordance with the direction of rotation, in this case Db, is output in synchronism with the most significant bit of the angle coding disk MSB at the output of multiplexer 27 as data bit Dm.

Ein erfindungsgemäßer Drehgeber kommt durch die beschriebenen Maßnahmen mit Pufferströmen aus, die kleiner als 10 µA sind. Bei der Verwendung einer kleinen Lithiumbatterie mit 0,95 Ah ergibt sich somit eine gesicherte Funktion bei externem Stromausfall von ca. 10 Jahren.An encoder according to the invention comes through measures described with buffer flows that are smaller than 10 µA. When using a small one Lithium battery with 0.95 Ah results in one secured function in the event of an external power failure of approx. 10 Years.

Claims (10)

1. Drehgeber (1) zur Absolutwertpositionserfassung, mit einem Stator (3) und einer drehbar im Stator gelagerten Geberwelle (5), wobei der Drehgeber (1) eine Winkelmeßvorrichtung zur Erfassung der genauen Position der Geberwelle (5) während einer vollständigen Umdrehung in einem Winkelintervall von 0°-360° und eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe der erfaßten Position der Geberwelle als Winkelangabe auf einem Datenausgang aufweist, wobei die Winkelmeßvorrichtung und die Ausgabeeinheit von einer externen Stromversorgung gespeist werden und wobei der Drehgeber darüberhinaus eine Vorrichtung zur Erfassung der Anzahl der vollständig durchlaufenen Umdrehungen mit einem drehfest angeordneten ersten Teil (17) und einem an der Geberwelle (5) befestigten, mit dieser rotierenden zweiten Teil (15) aufweist, und der Drehgeber (1) mit einer Logikschaltung zur Formung und Selektion (24, 25) eines logischen Impulses aus dem Ausgangssignal der Vorrichtung zur Erfassung der Umdrehungen der Geberwelle (5) sowie zur Erfassung der Drehrichtung versehen ist und eine drehrichtungsabhängige Zähleinheit (26) aufweist, die die so generierten logischen Impulse je nach Drehrichtung auf den jeweiligen Zählerstand summiert bzw. davon subtrahiert und deren aktueller Zählerstand auf dem Datenausgang auslesbar ist, und wobei eine Batterie (21) oder ein Akkumulator zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung für die Vorrichtung zur Erfassung ganzer Umdrehungen, die Logikschaltung (24, 25) und die Zähleinheit (26) bei einer Unterbrechung der ansonsten zugeführten externen Stromversorgung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erfassung ganzer Umdrehungen ein mechanisch schließendes Schaltelement und ein mit der Geberwelle (5) verbundenes, rotierbares Betätigungsteil für das Schaltelement aufweist, daß zur Reduzierung der notwendigen Größe der Batterie (21) oder des Akkumulators zur Pufferung des Drehgebers (1) bei Ausfall der externen Stromversorgung (28) eine Schaltung (24) vorhanden ist, die einen wenigstens bei geschlossenem Schaltelement (17) sehr hochohmigen Widerstand (31) in Reihe mit diesem aufweist, so daß der Strom in dieser Schaltung begrenzt ist, daß die Logikschaltung (24, 25) zur Pulsformung und zur Selektion mit wenigstens einem integrierten Schaltkreises ausgeführt und ebenso wie die Zähleinheit (26) hochohmig ausgelegt ist und daß die Logikschaltung (24, 25), die Zähleinheit (26), das Schaltelement (15, 17) sowie die Pufferbatterie (21) bzw. Akkumulator vollständig in die Drehgebereinheit (2) integriert sind, so daß der Drehgeber (1) mit den genannten Komponenten eine kompakte bauliche Einheit bildet.1. Encoder ( 1 ) for absolute value position detection, with a stator ( 3 ) and a rotatably mounted encoder shaft ( 5 ), the encoder ( 1 ) an angle measuring device for detecting the exact position of the encoder shaft ( 5 ) during a complete revolution in one Angle interval of 0 ° -360 ° and an output unit for outputting the detected position of the encoder shaft as an angle indication on a data output, wherein the angle measuring device and the output unit are fed by an external power supply and the encoder also a device for detecting the number of completely passed Revolutions with a non-rotatably arranged first part ( 17 ) and a second part ( 15 ) fastened to the encoder shaft ( 5 ) and rotating therewith, and the rotary encoder ( 1 ) with a logic circuit for forming and selecting ( 24 , 25 ) a logical one Impulse from the output signal of the device for detecting the rev The encoder shaft ( 5 ) and for detecting the direction of rotation is provided and has a counting unit ( 26 ) which is dependent on the direction of rotation and which, depending on the direction of rotation, sums up or subtracts the logic pulses generated in this way from the respective counter reading and whose current counter reading can be read on the data output, and wherein a battery ( 21 ) or an accumulator for maintaining the power supply is provided for the device for the detection of complete revolutions, the logic circuit ( 24 , 25 ) and the counting unit ( 26 ) in the event of an interruption of the otherwise supplied external power supply, characterized in that the device for detecting complete revolutions has a mechanically closing switching element and a rotatable actuating part for the switching element, which is connected to the encoder shaft ( 5 ) and which reduces the size of the battery ( 21 ) or the accumulator for buffering the rotary encoder ( 1 ) in the event of failure the external power supply ( 28 ) there is a circuit ( 24 ) which has a resistor ( 31 ) in series with it, at least when the switching element ( 17 ) is closed, so that the current in this circuit is limited so that the logic circuit ( 24 , 25 ) for pulse shaping and selection with at least one integrated circuit and, like the counting unit ( 26 ), is designed with high resistance and that the logic circuit ( 24 , 25 ), the counting unit ( 26 ), the switching element ( 15 , 17 ) and the Backup battery ( 21 ) or accumulator are fully integrated in the encoder unit ( 2 ), so that the encoder ( 1 ) forms a compact structural unit with the components mentioned. 2. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisch wirkendes Betätigungsteil zur Betätigung des mechanisch schließenden Schaltelementes vorgesehen ist.2. Encoder according to one of the preceding claims characterized in that a mechanically acting Actuating part for actuating the mechanically closing Switching element is provided. 3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Geberwelle (5) als Betätigungsteil ein magnetischer Ring (15) montiert ist, der aus einem magnetisch wirksamen Teil (23a) und einem magnetisch nicht wirksamen Bereich (23b) besteht, und daß das mechanisch schließende Schaltelement ein Reedkontakt (17) ist, der beim Rotieren des magnetischen Rings (15), abhängig davon, ob ein magnetisch wirksamer (23a) oder nicht wirksamer (23b) Teil des magnetischen Rings (15) in seiner Nähe durchläuft alternierend geöffnet bzw. geschlossen ist. 3. Encoder according to claim 1 or 2, characterized in that a magnetic ring ( 15 ) is mounted on the encoder shaft ( 5 ) as an actuating part, which consists of a magnetically active part ( 23 a) and a magnetically inactive region ( 23 b) and that the mechanically closing switching element is a reed contact ( 17 ) which, when the magnetic ring ( 15 ) rotates, depends on whether a magnetically active ( 23 a) or ineffective ( 23 b) part of the magnetic ring ( 15 ) passes alternately open or closed in its vicinity. 4. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Ring (15) aus einem magnetischen Teil (23a) und einem nicht magnetischen Teil (23b) zusammengesetzt ist.4. Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic ring ( 15 ) from a magnetic part ( 23 a) and a non-magnetic part ( 23 b) is composed. 5. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Schaltelemente (17a, 17b), die unter einem Winkel von 45° zum Nulldurchgang (22) der Geberwelle (5) angeordnet sind, zwei Logikschaltungen (24a, 24b, 25a, 25b) zur Erzeugung von Impulsen und zwei Zähler (26a, 26b) umfaßt und daß der schließend wirksame Teil (23a) und der nicht schließend wirksame Teil (23b) des Betätigungsteils (15) so ausgebildet sind, daß die Schaltelemente (17) alle 180° während der Rotation der Geberwelle (5) geschaltet werden.5. Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that it has two switching elements ( 17 a, 17 b) which are arranged at an angle of 45 ° to the zero crossing ( 22 ) of the encoder shaft ( 5 ), two logic circuits ( 24 a, 24 b, 25 a, 25 b) for generating pulses and two counters ( 26 a, 26 b) and that the closing part ( 23 a) and the non-closing part ( 23 b) of the actuating part ( 15 ) so are designed so that the switching elements ( 17 ) are switched every 180 ° during the rotation of the encoder shaft ( 5 ). 6. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den verschiedenen Schaltzuständen (Va, Vb) der Schaltelemente (17a, 17b) mittels eines Zeitverzögerungsgliedes (33) und eines logischen Gatters (34) ein Impuls erzeugt wird, daß die Richtung der Flanke des vom Schaltelement (17a, 17b) ausgehenden Signals (Va, Vb) zum Schalten des Zählmodus des Zählers zwischen Addition oder Subtraktion verwendbar ist und daß die Signalleitung (32a, 32b) des einen Schaltelementes (17a, 17b) so mit einem Logikgatter (35a, 35b) und der Signalleitung (32a, 32b) des anderen Schaltelementes (17a, 17b) geschaltet ist, daß jeder zweite Impuls unterdrückt wird und pro vollständiger Umdrehung der Geberwelle (5) nur ein Impuls erzeugt wird.6. Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that a pulse is generated from the different switching states (Va, Vb) of the switching elements ( 17 a, 17 b) by means of a time delay element ( 33 ) and a logic gate ( 34 ) the direction of the edge of the switching element ( 17 a, 17 b) outgoing signal (Va, Vb) can be used to switch the counting mode of the counter between addition or subtraction and that the signal line ( 32 a, 32 b) of the one switching element ( 17 a , 17 b) with a logic gate ( 35 a, 35 b) and the signal line ( 32 a, 32 b) of the other switching element ( 17 a, 17 b) is connected so that every second pulse is suppressed and per complete revolution of the encoder shaft ( 5 ) only one pulse is generated. 7. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplexer (27) vorhanden ist, der je nach Drehrichtung den Zählerinhalt jeweils eines Zählers (26a, 26b) des Drehgebers (1) im Takt mit dem höchstwertigen Bit (MSB) des von der Winkelmeßvorrichtung (10) abgelesenen Codes so auf den Datenausgang des Drehgebers (1) durchschaltet, daß der am Ausgang anliegende Datenwert des Drehgebers (1) mit dem Nulldurchgang (22) des Winkelkodierteils (10) der Winkelmeßvorrichtung auf der Geberwelle (5) während deren Rotation synchronisierbar ist.7. Encoder according to one of the preceding claims, characterized in that a multiplexer ( 27 ) is provided which, depending on the direction of rotation, the counter content of each counter ( 26 a, 26 b) of the encoder ( 1 ) in time with the most significant bit (MSB ) of the code read by the angle measuring device ( 10 ) is switched through to the data output of the rotary encoder ( 1 ) in such a way that the data value of the rotary encoder ( 1 ) present at the output with the zero crossing ( 22 ) of the angle coding part ( 10 ) of the angle measuring device on the encoder shaft ( 5 ) while their rotation can be synchronized. 8. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßvorrichtung mit einer optischen Abtastvorrichtung und einem entsprechenden Winkelkodierteil versehen ist.8. Encoder according to one of the preceding claims characterized in that the angle measuring device with an optical scanner and a corresponding one Angle coding part is provided. 9. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßvorrichtung mit einer kapazitiven Abtastvorrichtung und einem entsprechenden Winkelkodierteil versehen ist.9. Encoder according to one of the preceding claims characterized in that the angle measuring device with a capacitive sensing device and one corresponding angle coding part is provided. 10. Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßvorrichtung mit einer induktiven Abtastvorrichtung und einem entsprechenden Winkelkodierteil versehen ist.10. Encoder according to one of the preceding claims characterized in that the angle measuring device with an inductive scanning device and a corresponding one Angle coding part is provided.
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