DE4332249A1

DE4332249A1 - Positionsgeber

Info

Publication number: DE4332249A1
Application number: DE19934332249
Authority: DE
Inventors: Christian Bloess; Hasan Goekcer Dipl In Albayrak; Reiner Dipl Ing Rezacek
Original assignee: TORNADO ANTRIEBSTECH GmbH
Current assignee: TORNADO ANTRIEBSTECH GmbH
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1995-03-23

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber zur Überwachung und/oder Ermittlung der Radialwinkelstellung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung einer insbesondere von einem Elektromotor angetriebenen Welle, ent sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Positionsgeber dieser Art ist in der Hauptanmeldung P 43 11 267.6 im einzelnen beschrieben und erläutert. Positionsgeber dieser Art haben sich in der Praxis bewährt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Positionsge ber nach der Hauptanmeldung weiter zu verbessern, universel lere Einsatzmöglichkeiten für diesen Positionsgeber zu schaf fen und die erzielbaren Genauigkeiten zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung im wesentlichen dadurch, daß der drehfest mit der Welle verbundene und über den Umfang magnetisierte Läufer zusätzlich am Umfang eine vorgebbare Anzahl von alternierend angeordneten Licht reflek tierenden und/oder Licht absorbierenden Bereichen auf weist, und daß zum Läufer beabstandet und radial außerhalb des Umfangs des Läufers eine optische Reflexionslichtschran ke vorgesehen ist, welche das Reflexionsverhältnis lokal im Bereich der Umfangsfläche des Läufers abtastet und ein den Reflexionsverhältnissen entsprechendes digitales Ausgangssig nal erzeugt.

Durch den Einsatz oder den zusätzlichen Einsatz von elektro optischen Signalerzeugungs- und Erfassungsmitteln ist es vor allem möglich, größere Freiheiten hinsichtlich der Codierbar keit und des Grades der erzielbaren Auflösung zu erhalten, und außerdem können optische Systeme kostengünstiger als Magnetsysteme ausgeführt werden.

Im Falle der Kombination magnetischer und optischer Abtast mittel gelingt es, die Vorteile beider Systeme zu nutzen, wobei ein wesentlicher Vorteil des magnetischen Abtast systems in der geringen Störungsanfälligkeit und der Unabhän gigkeit von eventuell in der Praxis auftretenden Verschmut zungseffekten zu sehen ist.

Die elektro-optische Signalerzeugung gestattet es auch, eine sehr exakte Trennung zwischen verschiedenen Kanälen auch bei kleiner Bauweise zu gewährleisten und damit auch bei gegebe nen Platzverhältnissen mehr Spuren zu verwenden.

Von besonderem Vorteil ist für bestimmte Anwendungszwecke die Schaffung einer zusätzlichen Indexspur, die durch magne tische oder optische Mittel realisiert werden kann.

Eine derartige Indexspur, die vor allem dann von Bedeutung ist, wenn eine Auflösung größer als eine Motorumdrehung ge fordert wird, gestattet es auch, den Index exakt anzufahren und damit die höchstmögliche Positionsgenauigkeit zu gewähr leisten.

Im Zusammenhang mit der Realisierung einer Indexspur kann ein im Vergleich zu den übrigen Magneteinheiten ein deutlich stärkeres Magnetfeld erzeugendes Magnetelement verwendet wer den, wodurch die Indexfunktion ohne separate Spur für einen zusätzlichen Magneten realisiert werden kann. In entspre chender Weise ist es auch möglich, eine reflektierende oder absorbierende Marke auf einer Magnetspur anzuordnen und die ser Marke einen entsprechenden Sensor zuzuordnen.

Ein vorteilhaftes Einsatzgebiet eines Positionsgebers nach der Erfindung stellt die Integration in einen bürstenlosen Gleichstrommotor dar.

Bei einem solchen bürstenlosen Gleichstrommotor besteht der Rotor aus einem Permanentmagneten mit vorzugsweise mehreren Polen, die im Regelfall mit drei durch Magnetspulen gebilde ten Polen des Stators zusammenwirken, wobei die Statorpole in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Rotors zur Drehfelderzeugung umschaltbar ausgebildet sind. Dabei ist wesentlich, daß die jeweilige Position des Rotors genau und zuverlässig erfaßt wird, um die erforderlichen Umsteuersig nale korrekt erzeugen zu können.

Dazu ist es gemäß einer ersten Ausführungsvariante möglich, einen Läufer von solch axialer Länge zu verwenden, daß sein über die Statorwicklung vorstehendes Ende direkt mittels vor zugsweise aus Hallelementen bestehenden Sensororganen abge tastet werden kann, wobei die Sensororgane an einer am Ge häuse, insbesondere am Motordeckel befestigten Platine ge haltert sind, die mittig eine Aussparung für den Durchtritt der Rotorwelle besitzt. Grundsätzlich können auch bei dieser Ausführungsform optische Sensoren Verwendung finden, wenn auf dem Umfang des Läuferendes Licht reflektierende und/oder Licht absorbierende Bereiche ausgebildet werden, wie dies vorstehend grundsätzlich bereits beschrieben worden ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auf der Läuferwelle und mit Abstand zum Permanentmagnetläufer und ggf. auch außerhalb des Motordeckels auf der Welle ein Ringscheibenelement angebracht sein, das bezüglich der Pole des Läufers in vorgebbarer Weise orientiert ist und mit ge häusefesten Sensoren zusammenwirkt. Auch in diesem Falle sind die Sensoren bevorzugt auf einer Platine angebracht und sie sind unmittelbar benachbart und radial außerhalb des Ringscheibenelements positioniert. Dabei kann eine magneti sche und/oder optische Abtastung erfolgen, die zuverlässig und exakt ist und ein zeitlich korrektes Umsteuern der Sta torwicklungen gestattet.

Claims

1. Positionsgeber zur Überwachung und/oder Ermittlung der Radialwinkelstellung und/oder der Winkelgeschwindig keit und / oder der Drehrichtung einer insbesondere von einem Elektromotor angetriebenen Welle,
wobei die Welle drehfest mit einem konzentrisch zur Wel le und über den Umfang eine vorgegebene Anzahl von alter nierend angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen auf weisenden zylindrischen Läufer verbunden ist, in Abstand radial außerhalb des Umfangs des Läufers zwei unter ei nem vorgegebenen Radialwinkel gegeneinander versetzte elektronische Magnetfeldsensoren, insbesondere Hall-Sen soren vorgesehen sind, welche lokal das Magnetfeld im Bereich der Umfangsfläche des Läufers abtasten und je weils ein magnetfeldabhängiges Ausgangssignal A bzw. B liefern, bei Rotation der Welle die Ausgangssignale A und B jeweils eine zeitliche Abfolge von phasenverscho benen Pulsen bilden, und eine die Ausgangssignale A und B auswertende elektronische Auswerteschaltung vorgesehen ist, die ein aus zumindest einem der Ausgangssignale A oder B erzeugtes, Zählpulse aufweisendes Zählsignal und ein aus der Phasenlage der Pulse der Ausgangssignale A und B bestimmtes, die Drehrichtung der Welle angebendes binäres Drehrichtungssignal erzeugt, nach Patent (Patentanmeldung P 43 11 267.6),
dadurch gekennzeichnet,
daß der drehfest mit der Welle verbundene und über den Umfang magnetisierte Läufer zusätzlich am Umfang eine vorgebbare Anzahl von alternierend angeordneten Licht reflektierenden und/oder Licht absorbierenden Berei chen aufweist, und daß zum Läufer beabstandet und radial außerhalb des Umfangs des Läufers eine optische Refle xionslichtschranke vorgesehen ist, welche das Reflexions verhältnis lokal im Bereich der Umfangsfläche des Läu fers abtastet und ein den Reflexionsverhältnissen ent sprechendes digitales Ausgangssignal erzeugt.

2. Positionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren und die optischen Sensoren auf einem gemeinsamen Platinen-Sensorring angebracht sind und bezüglich der Platine zumindest im wesentlichen den gleichen axialen Abstand besitzen.

3. Positionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Läufer eine zusätzliche Indexspur mit einem lokalisierten magnetischen oder Licht reflektierenden oder Licht absorbierenden Bereich und dieser Spur gegen überliegend ein entsprechender Sensor vorgesehen ist.

4. Positionsgeber, insbesondere nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle drehfest mit einem konzentrisch zur Welle und über den Umfang in wenigstens zwei übereinander lie genden oder nebeneinander liegenden Spuren eine gegebe nenfalls unterschiedliche Anzahl von alternierend ange ordneten Licht reflektierenden und Licht absorbierenden Bereichen aufweisenden zylindrischen Läufer verbunden ist,
daß im Abstand radial außerhalb des Umfangs des Läufers zwei unter einem vorgegebenen Radialwinkel gegeneinander versetzte optische Reflexionslichtschranken vorgesehen sind, welche lokal das Reflexionsverhältnis im Bereich der einen Spur der Umfangsfläche des Läufers abtasten und jeweils ein den Reflexionsverhältnissen entsprechen des digitales Ausgangssignal A bzw. B liefern, und
daß ein weiterer optischer Sensor das Reflexionsverhält nis im Bereich einer anderen Spur der Umfangsfläche des Läufers abtastet und jeweils ein dem Reflexionsverhält nis entsprechendes digitales Ausgangssignal I liefert.

5. Positionsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dieselbe Spur abtastenden Sensoren im gleichen axialen Abstand zur Platine des Sensorringes installiert sind, während der dritte Sensor entsprechend der Orientierung der zweiten Spur mit einem axialen Ver satz dazu angebracht ist.

6. Positionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der beiden Spuren höchstens so groß ist, daß die übliche Bedrahtungslänge der Sensoren ausreichend ist, um alle drei Sensoren auf derselben Platine zu bestücken.

7. Positionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung einer mit einer bereits vorhandenen Spur zusammenfallenden Indexspur entweder ein Magnet element mit im Vergleich zu den übrigen Magnetelementen des magnetisierten Läufers ein deutlich höheres Magnet feld erzeugendes Element oder auf der entsprechenden Spur des magnetischen Läufers eine Licht reflektierende oder absorbierende Marke vorgesehen ist.

8. Positionsgeber, insbesondere nach einem der vorhergehen den Ansprüche, zur Verwendung in einem bürstenlosen Gleichstrommotor, dadurch gekennzeichnet, daß der als Permanentmagnet ausgebildete Läufer entweder direkt oder über ein mit ihm fest verbundenes Ringschei benelement mit zumindest drei die Polung der Staturwin dungen steuernden Sensororganen zusammenwirkt, die be nachbart und radial außerhalb des Läufers oder des Ring scheibenelements angeordnet und an einer gehäusefesten Platine gehaltert sind.

9. Positionsgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensororgane aus Hallsensoren und/oder optischen Sensoren bestehen.

10. Positionsgeber nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringscheibenelement aus einem zwei- oder vier poligen Ringmagneten besteht und die Magnetpole des Ring scheibenelements und des Läufers in vorgebbarer Weise relativ zueinander orientiert, insbesondere gegenseitig ausgerichtet sind.

11. Positionsgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringscheibenelement mit optisch erfaßbaren Markierungen vorgesehen ist.