DE4234016C2 - Positionsmessvorrichtung für Drehbewegungen mit einem kapazitiv arbeitenden Drehstellungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung für Drehbewegungen mit einem kapazitiv arbeitenden Drehstellungssensor.

Aus der Vielzahl an Wandlern oder Sensoren, welche eine Drehbewegung in ein elektrisches Signal abbilden, sind auch Wandler auf kapazitiver Grundlage bekannt. Diese beruhen gewöhnlich darauf, dass geeignete leitfähige Oberflächen relativ gegeneinander verdreht werden, so dass eine resultierende Veränderung von Teil- oder Gesamtkapazitäten mit elektrischen Mitteln festgestellt werden kann. Diese Veränderung von Kapazitätswerten ist mithin ein gewünschtes Mass für die Verdrehung von z. B. Achsen gegenüber einer feststehenden Bezugsfläche.

Aus der Offenlegungsschrift DE 37 11 062 A1 ist eine absolut messende Positionsmessvorrichtung für Drehbewegungen bekannt, die aus einem kapazitiven Messaufnehmer und einer elektronischen Ansteuer- und Auswerteschaltung besteht.

Diese Vorrichtung wertet eine Vielzahl an Einzelsignalen aus. Hierzu ist jedoch eine Bereichsumschaltungseinrichtung erforderlich, und die verwendeten Elektronikbausteine müssen eine erhebliche Eigengenauigkeit aufweisen, um die prinzipiell hohe Eigengenauigkeit jenes kapazitiven Sensors voll nutzen zu können.

Weitere Positionsmessvorrichtungen sind in DE 36 37 529 C2, DE 27 43 903 C2 und US 3,125,716 beschrieben.

Es ist Ziel der Erfindung, eine kapazitiv arbeitende Positionsmessvorrichtung, insbesondere einen Drehstellungssensor, bereitzustellen, welche bei vergleichbarer oder besserer Genauigkeit ohne Bereichsumschaltungsmassnahmen funktioniert und die eine vereinfachte und kostengünstigere Elektronik aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln gelöst, wie sie in Anspruch 1 angegeben werden.

Der Grundgedanke der Erfindung lässt sich folgendermassen abstrahieren:
Ein Drehstellungssensor in kapazitiver Ausführungsform besitzt mindestens zwei Teilkapazitäten. Deren Werte variieren mit der Drehstellung eines Rotorteils des Sensors. Die Variationen verlaufen angenähert oder exakt einer Sinusfunktion in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotorteils. Zu diesem Zweck weisen die Elektroden der Teilkapazitäten definierte Berandungen auf, die durch spezielle Funktionen beschrieben werden. Die je nach Drehstellung vorliegenden Kapazitätswerte der Teilkapazitäten werden vorzugsweise mittels RC-Oszilatoren direkt in Zeitkonstanten-Werte oder in Frequenz-Werte umgewandelt. Solche Werte definieren als geeignete, äquidistante Stützwerte eine periodische Funktion. Die Drehstellungsbestimmung beruht auf einer spektralen Analyse (oder einer anderen geeigneten Musteranalyse) solcher periodischen Funktionen (vgl. WO-90/15 473): Mittels einer Diskreten Fourier Transformation wird die erste Harmonische (Grundwelle) solcher periodischen Funktionen errechnet, und zwar in Hinblick auf Amplitude (Betrag) und Phasenwinkel. Der Phasenwinkel dieser ersten Harmonischen ist ein direktes Mass für die Drehstellung des Rotorteils. Für die Errechnung des Phasenwinkels wird bevorzugt eine elektronische Schaltung, insbesondere mit einem Mikroprozessor eingesetzt. Die Amplituden aller Harmonischen werden als Kontrollwerte für die korrekte Funktion des Sensors herangezogen. Auch die Phasenwinkel der zweiten und höheren Harmonischen werden als Kontrollwert für die korrekte Funktion des Sensors herangezogen.

Die Erfindung geht dabei von folgenden Erkenntnissen aus:
Um eine vorteilhafte elektronische, vorzugsweise mikroprozessorgerechte Auswertung eines Drehstellungssensors vornehmen zu können, sollten dessen Kapazitätswerte zunächst in Frequenz- bzw. Zeitwerte umgewandelt werden.

Dies ist deswegen vorteilhaft, da Zeit- bzw. Frequenzmessungen mit hoher Genauigkeit, aber geringen Kosten mittels Schaltungen vorgenommen werden können, welche einen Quarzoszillator aufweisen. Ein solcher Quarzoszillator dient dabei gewöhnlich als präziser Zeitgeber oder als Referenzfrequenz.

Weiterhin erübrigt die Messung von variablen Frequenzen den Einsatz von Analog-Digital-Wandlern, die analoge Signale in binäre Signale umsetzen und einen gewissen Kostenfaktor darstellen.

Um möglichst schnell ablaufende Drehbewegungen erfassen zu können, ist es nützlich, hohe Oszillatorfrequenzen vorzusehen, um in möglichst kurzer Zeit ein positionsabhängiges Signal zu erhalten, welches nicht nennenswert durch die Drehbewegung verändert wird.

Ein besonders wichtiger Aspekt der Erfindung ist es, die Meßwerte (hier Kapazitätswerte bzw. davon abgeleitete physikalische Größen) möglichst exakt sinusförmig mit fortschtreitendem Drehwinkel des Rotorteils des Sensors variieren zu lassen. Sind nämlich z. B. drei Teilkapazi­ täten vorhanden, deren Werte gemäß obiger Vorschrift variiert werden können, so kann man aus drei aktuellen Kapazitätsmeßwerten die genaue Winkellage des Rotorteils zurückrechnen. Bis jetzt gab es jedoch noch keine Vorschrift, wie eine solche Variation der Meßwerte über den Drehwinkel exakt herbeigeführt werden kann.

Für kapazitive arbeitende Senso­ ren ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil, daß der geforderte exakt sinusförmige Verlauf der Meßfunktionen prinzipiell und mit sehr einfachen Mitteln bereitstellbar ist. Hierzu werden die beteiligten Elektroden mit definierten Berandungen (Konturen) versehen. Diese Berandungen zeichen sich erfindungsgemäß durch einen möglichst geringen Anteil an Oberwellen aus. Unter Oberwellen ist in diesem Zusammenhang der Oberwellenanteil der sog. Raumfrequenzen der Konturen zu verstehen. Beispielsweise besitzt eine kreisförmige Kontur wenige Oberwellen, während eine rechteckige oder zahnradartige Kontur erhöhten Oberwellengehalt besitzt.

Die Erfindung besteht im besonderen darin, den Elektroden die Form einer allgemeinen Konchoide zu geben, welche praktisch keine Oberwellen besitzt. Es können sowohl Stator- als auch Rotorelektroden von solcher Konchoidenform sein. Mindestens eine Elektrodenart muß jedoch zumindest angenähert durch eine oberwellenarme Kontur charakterisiert sein.

Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich nämlich die geforderte sinusförmige Variation der Meßwerte über den Drehwinkel und damit ein exakt rekonstruierbarer Positionswert.

Da die erfindungsgemäße Anordnung auch als mehrfach wirkendes Differenzmeßverfahren betrachtet werden kann, sind verbleibende Fehlereinflüsse erst in zweiter Näherung wirksam. Sie können darüberhinaus auch zumeist durch eine diesbezügliche Rückrechnung weiter reduziert werden.

Dies geschieht erfindungsgemäß zum Beispiel bei Messungen an einem in Bewegung befindlichen Sensor. Dieser kann mit zunehmender Geschwindigkeit proportional anwachsende Differen­ zen zu exakten Positionswerten aufweisen. Wird also durch kurzfristig nacheinander erfolgende Positionsmessungen nicht nur eine Position, sondern auch eine Geschwindigkeit ermittelt, so werden die Positionswerte aufgrund der errechneten Geschwindigkeit mit geeigneten, vorbekannten Korrekturwerten versehen.

Auf diese Weise wird eine gesteigerte Genauigkeit für die Positionswerte erreicht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Zeichnungen und den Unteransprüchen wiedergegeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein vorzugsweise feststehendes Teil eines Drehstellungssensors mit Elektroden R, S, T.

Fig. 2 eine im Vergleich zu Fig. 1 vereinfachte Ausführungsform

Fig. 3 eine Berandung (Kontur) einer vorzugsweise drehbaren Elektrode

Fig. 4 eine ähnliche Kontur, jedoch mit asymmetrischem Schwerpunkt

Fig. 5 eine weitere, vereinfachte Kontur

Fig. 6 eine sog. Abwicklung für Berandungen gemäß Fig. 1

Fig. 7 die Berandung einer einzelnen Elektrode gemäß Fig. 1

Fig. 8 Berandungen einer Rotor-Elektrode und von feststehenden Elektroden, wobei die feststehenden Elektroden aus drei Gruppen zu je 4 Elektroden bestehen sowie die Zusammenschaltung von je 4 Teilelektroden und deren Anschluß an eine Oszillator-Endstufe

Fig. 9 die Beschaltung von drei Kapazitäten oder Kondensatorbatterien mit jeweils eigenen Oszillatorstufen

Fig. 10 eine Konstruktion zur Ermittlung der Rotorposition aus drei Frequenzwerten, in vektorieller Darstellung

Fig. 11 eine Ausführungsform mit besonders einfach geformten Rotor- und Stator-Elektroden

Fig. 12 eine andere Rotor-Elektrodenform mit besonders einfach geformter Berandung.

Fig. 13 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit besonders einfach berandetem Rotor gemäß Fig. 11 und 12.

Fig. 1 zeigt ein vorzugsweise feststehendes Teil (Stator) eines Drehstellungssensors mit Elektroden R, S, T.

Dieses befindet sich in einem Abstand von einem drehbeweglichen Teil (Rotor), wobei das Abstandsvolumen mit Luft oder einem Isolierstoff ausgefüllt ist und vorzugsweise flächig erstreckt ist (vgl. Fig. 13), aber auch sinngemäß von Hohl­ zylinderform sein kann. - Es sind drei Elektroden gezeigt, jedoch steigert die Anzahl weiterer Meßelektroden im allgemeinen die erreichbare Meßgenauigkeit.

Die in Fig. 3 gezeigten Elektroden sind symmetrisch um ein Zentrum Z angeordnet und weisen eine äußere Berandung auf, deren Radius von einem Minimalwert sich kontinuierlich bis auf einen Maximalwert vergrößert, um dann entsprechend in symmetrischer Weise auf den gleichen Minimalwert zurück­ zufallen. Eine zugehörige Abwicklung, wie in Fig. 6 gezeigt, ist durch eine Funktion f(alpha) gekennzeichnet und weist vergleichsweise wenig Oberwellenanteile auf, d. h. f(alpha) entspricht einer in x-Richtung und in y-Richtung verschobenen Sinusfunktion.

Eine ähnliche Betrachtung gilt für die in der Nähe des Zentrums Z befindlichen Konturenanteile Elektroden der Fig. 1.

Deren Abwicklung ist in Fig. 6 durch die Funktion g(alpha) gekennzeichnet, welche ebenfalls möglichst oberwellenfrei ist und daher ebenfalls einer allgemeinen Sinusfunktion ähnlich ist.

Eine Stator-Elektrodenform dieser beschriebenen Art ist erforderlich für eine Rotorelektrodenform, wie sie in Fig. 12 wiedergegeben ist. Andererseits ist es aber auch möglich, eine einfache Stator-Elektroden-Kontur vorzusehen, wie sie in Fig. 2 wiedergegeben ist, wenn ein Rotorteil mit angepaßter Kontur gemäß Fig. 3 und 4 verwendet wird. - Bei reduzierten Anforderungen an die Meßgenauigkeit ist auch eine Rotorelektrodenkontur gemäß Fig. 5 geeignet.

In einer meßtechnisch besten Ausführungsform sind jedoch die speziell geformten Statorelektrodenkonturen gemäß Fig. 1 kombiniert mit einem Rotor, welcher Elektrodenkonturen gemäß Fig. 3 oder 4 aufweist.

Die Rotorelektroden befinden sich wie bei der genannten DE-OS 37 11 062 zwischen einem Satz Statorelektroden, sie können aber auch direkt gegenüber nur einer Stator-Oberfläche angeordnet sein wie dies in Fig. 13 gezeigt ist.

Auch für die Konturen der Rotorelektroden gilt, daß sie vorzugsweise eine Abwicklung in Form einer allgemeinen Sinusfunktion, mit geringen Oberwellenanteilen, besitzen.

Der grundlegende Vertreter solcher Kurven kann in der Form r(phi) = sin(phi) + konst. dargestellt werden (Konchoide), wobei r ein Radius (Fahrstrahl) ist, welcher von einem belie­ bigen Zentrum ausgeht.

Eine noch allgemeinere Darstellung hat die Form r(phi) = c1.sin(c2.phi) + c3 (allgemeine Konchoide), wobei c1, c2 und c3 wählbare Konstanten darstellen.

Konturen, die annähernd durch eine solche Funktion dargestellt werden, sind erfindungsgemäß besonders für die Elektroden des Drehstellungssensors geeignet, da sie ebenfalls nur geringe (räumliche) Oberwellenanteile für ihre Berandung aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine zweiarmige, symmetrische Konchoide, für die c2 der obigen Formel zu 2 gewählt worden ist.

Fig. 4 zeigt eine einarmige, eher asymmetrische Konchoide bei der c2 der obigen Formel zu 1 gewählt worden ist. Eine Kontur dieser Art ist in der Regel besser für Absolut-Winkelmessungen geeignet, da keine periodische Wiederholung der Meßwerte über den Vollwinkel auftreten. Demgegenüber hat eine Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine verbesserte Winkelauflösung. Die Winkelauflösung wird weiter gesteigert, wenn drei-, vier- etc. -armige Konchoiden verwendet werden.

Eine einfache Näherung an eine exakte Kontur gemäß Fig. 4 stellt Fig. 5 dar, mit einer exzentrisch drehbaren Kreisfläche. Anstelle eines Kreises ist natürlich auch eine Ellipse etc. vorsehbar, welche Kurvenformen zwar auch relativ geringe Obewellenanteile aufweisen, aber nicht vollständig der oberwellenfreien Form einer allgemeinen Konchoide gleichen.

Fig. 7 stellt die Berandungsverhältnisse dar für eine Stator-Elektrodenanzahl von etwa 6. . .10 Elektroden.

Fig. 8A zeigt eine weitere Ausführungsform, welche für höhere Auflösung geeignet ist. Dort ist ein vierarmiger Rotor in Form einer allgemeinen Konchoide bzw. mit entsprechender Näherungskontur vorgesehen. Dieser Rotor arbeitet mit 3 Grupppen a 4 Statorelektroden zusammen.

In der gezeigten Rotorposition ist z. B. Elektrode 3, Elektrode 6, 9 und 12 (Gruppe R) durch die Rotorelektrode überdeckt.

Bei Rechtsdrehung des Rotors werden also sukzessive zu einem späteren Zeitpunkt zunächst Elektroden 1, 4, 7 und 10 (Gruppe S) vollständig überdeckt, sodann Elektroden 2, 5, 8, 11 (Gruppe T), wobei natürlich alle Zwischenwerte zwischen einer Maximal-Überdeckung und einer Minimalüberdeckung durchlaufen werden.

Dies bedeutet, daß bei Drehung des Rotors die Kapazitätswerte der Gruppen R, S und T annähernd sinusförmig um einen Mittelwert schwanken, jedoch nicht phasengleich, sondern um Winkelabstände von 120 deg. el. versetzt.

Dieser Phasenversatz von mindestens drei Signalen ermöglicht es, alle denkbaren Zwischen-Winkellagen gemäß geeigneter Verfahren oder Konstruktionen zu rekonstruieren (vgl. Fig. 10).

Zur vereinfachten Auswertung der variablen Kapazitätswerte ist es jedoch vorteilhaft, eine Anordnung von mehreren Oszillator­ schaltungen vorzusehen, welche mit jeder der drei Kapazitäts­ gruppen R, S, oder T unabhängig voneinander schwingende Oszillatoren aufweist.

Die elektrischen Verhältnisse zeigt Fig. 8b).

Die zusammengeschalteten Elektroden E1, E4, E7 und E10 bilden einen Kapazitätsbelag, der zusmmen mit dem Kapazitäts­ belag der Rotorelektrode einen Kondensator C1 bildet, welcher mittels CMOS-Invertern oder höherfrequent arbeitenden Schottky-Bausteinen zu einem RC-Oszillator geschaltet wird, wie er an sich bekannt ist.

Eine grundlegende Schaltungsanordnung mit drei Oszillatoren zeigt Fig. 9.

Kondensator C1 bildet mit Widerständen R11 und R21 und den Gatterstufen eines CMOS-Inverters einen ersten Oszillator, dessen Ausgangssignal über einen weiteren CMOS-Inverter in der Impedanz gewandelt wird, so daß an dessen Ausgang ein geeignetes Signal mit einer Grundfrequenz f1 ansteht.

Eine zweite, völlig gleichartig aufgebaute Oszillatorstufe verwendet C2 bzw. Kondensatorgruppe S als frequenzbestimmendes Element. Am Ausgang dieser Schaltung kann ein Ausgangssignal (praktisch Rechtecksignal) mit der Frequenz f2 abgegriffen werden.

Sinngemäß wird die dritte Oszillatorstufe mit C3 als frequenzbestimmender Kondensatorgruppe betrieben, es ist das Signal mit der Frequenz f3 abfgreifbar.

Diese Signale sind annähernd von Rechteckform und haben bereits eine geeignete Amplitude, so daß sie ohne weitere oder aufwendige Impulsformung geeigneten Zählerstufen und Torschaltungen einer hier nicht gezeigten Zähler/Zeitgeberschaltung zugeführt werden können, wie sie an sich bekannt ist und in vielen Mikroprozessorbausteinen bereits inkorporiert ist.

Ein geeignetes Auswerteverfahren ähnelt der Muster­ erkennung aus der WO 90/15473. Sie ist hier aber durch die direkt zu verarbeitenden Frequenzwerte einfacher zu realisieren. Da ein direkter Zusammenhang zwischen dem jeweils aktuellen Kapazitätswert und der Schwingungszeit einer Oszillator­ schwingung besteht, werden die geometrisch, d. h. rotorstellungsmäßig bedingten Kapazitätswerte direkt in entsprechende Zeitwerte umgesetzt. Es ist gemäß bekannten Vorgehensweisen auch möglich, zur Verbesserung der Meßgenauig­ keit die zeitliche Länge von vielen, z. B. mehreren hundert Oszillationen zu bestimmen. Alternativ kann auch für eine feste Zeit bestimmt werden, wieviele Oszillationen bei jedem der RC-Oszillatoren aufgetreten sind. Dies führt jedoch auf eine Frequenzmessung, deren Ergebnis umgekehrt proportional zu den interessierenden Kapazitäten ist. Vorteilhafter ist ein Meßer­ gebnis, welches direkt proportional zu den Kapazitäten bzw. dem Verdrehwinkel der Sensorwelle ist und wie es durch eine Schwingungszeit eines RC-Oszillators repräsentiert wird.

Da die Widerstände der RC-Oszillatoren ebenfalls eine entscheidende Rolle für die Oszillatorfrequenz besitzen, ist es vorteilhaft, diese auf einen integrierten Schaltkreis zu integrieren, um Toleranzen niedrig zu halten und Temperatureinflüsse in gleichem Maße wirksam werden zu lassen. Eine absolute Konstanz der Widerstandswerte ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Das Prinzip der genannten Mustererkennung wird in Fig. 10 ge­ zeigt. Die ermittelten Zeit- oder Frequenzwerte f1, f2 und f3 der Oszillatorstufen gemäß Fig. 9 werden vektoriell addiert, für drei Werte also unter einschließenden Winkeln von 60 deg. Bei Anordnungen welche 4 Meßwerte liefern sind also ein­ schließende Winkel von 90 deg. vorzusehen usw. Bezogen auf einen Ursprung U wird auf diese Weise ein Phasenwert phi' erhalten, welcher ein direktes Maß für die Rotorposition darstellt und Werte von 0 bis 360 deg. annimmt.

Fig. 11 zeigt eine vergleichsweise einfache Ausführung eines Drehstellungssensors mit kreisförmig berandeten Rotorelektroden und Statorelektroden.

Eine solche Anordnung kann herstelltechnisch noch weiter verein­ facht werden durch Verwendung einer rechteckigen Rotorelektrode gemäß Fig. 12, welche exzentrisch um ein Drehzentrum Z gelagert ist.

Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung der genannten Art. Die mit einer Welle 130 gelagerte Rotorelektrode 133 ist in axialer Richtung durch Sicherungselemente 131, 132 gegen Verschiebung gesichert.

Gegenüber der Rotorelektrode befinden sich Statorelektroden 135, von denen zwei mit ihren Anschlußpunkten 136, 137 gezeichnet sind.

Die Statorelektroden sind auf einem geeigneten Substrat, z. B. einer Leiterplatte, befestigt.

Claims (11)

1. Positionsmessvorrichtung für Drehbewegungen mit einem kapazitiv arbeitenden Drehstellungssen­ sor, welcher einen beweglichen Rotor (133) mit einer Rotorelektrode und einen feststehenden Stator (134) mit mindestens drei Statorelektroden (1, 2, 3, . . . 12) aufweist, die mit der Rotorelektrode minde­ stens drei Teilkapazitäten (C1, C2, C3) bilden, wobei eine Auswerteschaltung, die Kapazitätswerte für jede dieser mindestens drei Teilkapazitäten (C1, C2, C3) erfasst, jeweils in Zeitkonstantenwerte oder Frequenzwerte (f1, f2, f3) umwandelt und diese als Vektoren (Fig. 10) addiert, wobei dem Ergeb­ nis dieser vektoriellen Addition ein Phasenwinkel (ϕ') für die Drehstellung des Rotors (133) entnehm­ bar ist.

2. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorelektrode und/oder die Statorelektroden (1, 2, 3. . .12) mit einer Berandung versehen sind, deren Abwicklung zu­ mindest angenähert einer Sinusfunktion entspricht.

3. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorelek­ trode eine einzige Elektrode aufweist.

4. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung separate Oszillatoren aufweist, denen jeweils eine andere der Teilkapazitäten (C1, C2, C3) als frequenzbestimmendes Element zugeordnet ist und die Ausgangssignale der Oszillatoren der vektoriellen Addition zugeführt werden.

5. Postionsmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatoren gleich­ artig ausgebildet sind.

6. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung der Rotorelektrode durch eine oberwellenfreie periodische Funktion beschrieben wird, welche einen Gleichanteil und einen Sinusterm aufweist.

7. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung der Rotorelektrode elliptisch, kreisförmig oder oval ist.

8. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass radial ausgerichtete Berandungsanteile der Statorelektroden im wesentlichen geradlinig verlaufen.

9. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandungen der Statorelektroden im wesentlichen elliptisch, kreisförmig oder oval sind.

10. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung der Statorelektroden im wesentlichen durch mindestens eine sinusförmige Funktion be­ schrieben wird.

11. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor- oder Statorelektroden in Form einer gedruckten Schaltung gefertigt sind.