DE9105145U1 - Position sensor for rotary movements - Google Patents
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Description
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D-7742 St. Georgen 22. April 1991PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG ':;&Ogr;&Egr;
D-7742 St. Georgen 22 April 1991
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BeschreibungDescription
Die Erfindung betrifft einen Positionssensor zum Erfassen
linearer oder rotatorischer Bewegungen mit hoher Auflösung.The invention relates to a position sensor for detecting
linear or rotary movements with high resolution.
Ein typischer Anwendungsfall für Sensoren dieser Art
besteht darin, die Rotorposition bzw. Winkellage eines
Elektromotors zu ermitteln. In einem anderen Anwendungsfall ist es beispielsweise erforderlich, die Drehgestellung eines
Ventils oder einer Drosselklappe zu ermitteln.A typical application for sensors of this type
consists in determining the rotor position or angular position of a
electric motor. In another application, for example, it is necessary to determine the rotational position of a valve or throttle valve.
Ein weiterer typischer Anwendungsfall besteht darin, manuell ausgeführte Bewegungen in ein rechnergeeignetes Eingangssignal umzuwandeln.Another typical application is to convert manually executed movements into a computer-compatible input signal.
Für die genannten Anwendungsfälle werden bevorzugt Sensoren
verwendet, welche aus einer oder mehreren Lichtschranken
bestehen, welche durch eine bewegliche, geschlitzte Scheibe betätigt werden.For the above applications, sensors are preferably used which consist of one or more light barriers
which are operated by a movable, slotted disc.
Bei einer Drehbewegung solcher Scheiben um eine vorgegebene Achse ist es daher möglich, mittels der Lichtschranke ein
elektrisches Signal abzugeben, welches durch unterschiedliche Höhe bzw. Intensität die Drehlage einer Scheibe signalisiert.When such discs rotate around a given axis, it is therefore possible to use the light barrier to
to emit an electrical signal which signals the rotational position of a disk through different heights or intensity.
Solche Sensoren stehen in vielfältigen Ausführungsformen
zur Verfügung. Sie müssen jedoch in jedem Falle vor Staub
und Verschmutzung geschützt werden. Für Sensoren mit hoher Auflösung sind relativ fein strukturierte Scheiben erforderlich,
welche die Kosten eines solchen Sensors stark beeinflussen.Such sensors are available in a variety of designs
However, they must be protected from dust
and contamination. High-resolution sensors require relatively finely structured disks, which have a strong influence on the cost of such a sensor.
PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG .--,-. \-r '", 0E■?300f /-G c■;c D-7742 St. Georgen 22. April 1991PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG .--,-. \-r '" , 0E■?300f /-G c ■; c D-7742 St. Georgen 22 April 1991
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen robusten Sensor bereitzustellen, der staub- und verschmutzungsunempfindlich ist, eine hohe Auflösung besitzt und sich durch besonders günstige Herstellkosten auszeichnet.It is therefore an object of the present invention to provide a robust sensor that is insensitive to dust and contamination, has a high resolution and is characterized by particularly low manufacturing costs.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs, insbesondere durch eine Ausführungsform gemäß Unteranspruch 10.This object is achieved by the characterizing part of the main claim, in particular by an embodiment according to subclaim 10.
Weitere Ausbildungen der Erfindung gehen aus den weiteren Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren hervor.Further developments of the invention emerge from the further subclaims, the description and the figures.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1Fig.1
einen erfindungsgemäßen Sensor mit 6 Einzelspulen , welche ihre Induktivitätskennwerte durch die Drehlage eines Rotorteils 7 periodisch änderna sensor according to the invention with 6 individual coils, which periodically change their inductance characteristics due to the rotational position of a rotor part 7
Fig. 2Fig.2
das Blockschaltbild einer zugehörigen Oszillator- und Auswerte-Elektronik 2 0the block diagram of an associated oscillator and evaluation electronics 2 0
Fig. 3Fig.3
die Funktion einer Konstanten 3 3 mit überlagertem Sinusterm 3 dargestellt in kartesischen (Fig. 3B) und Polar-Koordinaten (Fig. 3 A)the function of a constant 3 3 with a superimposed sine term 3 shown in Cartesian (Fig. 3B) and polar coordinates (Fig. 3 A)
Fig. 4 A, 4 B, 4 C, 4 DFig. 4 A, 4 B, 4 C, 4 D
verschiedene Formgebungen von Einzelspulen 40, 48 und 49different shapes of single coils 40, 48 and 49
PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG %-".J ..,0&Ggr;-300&Iacgr; *3g J3 D-7742 St. Georgen 22. April 1991PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG %-".J ..,0&Ggr;-300&Iacgr; *3g J 3 D-7742 St. Georgen 22. April 1991
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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Oszillatorstufe 50 für Spulen gemäß Fig. 1 oderFig. 5 is a block diagram of an oscillator stage 50 for coils according to Fig. 1 or
Fig. 6 den variablen Verlauf der Induktivitäten einzelner Spulen gemäß Fig. 1 oder 4 über den Drehwinkel eines Rotorteils gemäß Fig.Fig. 6 the variable course of the inductances of individual coils according to Fig. 1 or 4 over the angle of rotation of a rotor part according to Fig.
Fig. 7 eine Konstruktion zur Analyse der Rotorposition eines Rotorteils 7 und Darstellung eines repräsentativen Phasenwinkel &THgr; (Theta), der eine Position eines solchen Rotorteils wiedergibt.Fig. 7 shows a construction for analyzing the rotor position of a rotor part 7 and representation of a representative phase angle θ (theta) which represents a position of such a rotor part.
Fig. 8 eine Formgebung für ein Rotorteil bestehend aus einem ferromagnetischen Anteil und einem metallischen, diamagnetischen AnteilFig. 8 a shape for a rotor part consisting of a ferromagnetic part and a metallic, diamagnetic part
Fig. 9 die exakte Kontur eines zweiflügligen Rotorteils in Form einer allgemeinen KonchoideFig. 9 the exact contour of a two-bladed rotor part in the form of a general conchoid
Fig.Fig.
eine exakte Kontur ähnlich Fig. 9 mit annähernd geraden Seitenteilenan exact contour similar to Fig. 9 with almost straight side parts
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Fig. 11 eine exakte Kontur in Form einer Konchoide , mit nur einem FlügelFig. 11 an exact contour in the form of a conchoid, with only one wing
Fig. 12 eine Anordnung mit drei Spulen, welche eine winkelmäßige Ausdehnung von 90 deg. mech. besitzen und gleichmäßig über den Winkel von 360 deg. verteilt sind.Fig. 12 an arrangement with three coils, which have an angular extension of 90 deg. mech. and are evenly distributed over the angle of 360 deg.
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Die Erfindung ermöglicht die kostengünstige Konstruktion von Drehsensoren durch die Kombination mehrerer verschiedener Einzelmaßnahmen, von denen die folgenden für sich allein bekannt sind :The invention enables the cost-effective construction of rotary sensors by combining several different individual measures, of which the following are known in isolation:
Spulenausführung in Form einer gedruckten SchaltungCoil design in the form of a printed circuit
Induktivitätsbestimmung einzelner Spulen durch Anordnung in einem Oszillator-Schaltkreis und Messung der OszillationsfrequenzenDetermination of the inductance of individual coils by arranging them in an oscillator circuit and measuring the oscillation frequencies
- Auswertung von mehr als zwei Meßwerten durch Interpolation bzw. Musteranalyse, bevorzugt mittels einer Fourier-Analyse oder -Transformation- Evaluation of more than two measured values by interpolation or pattern analysis, preferably by means of a Fourier analysis or transformation
Eine weitere Maßnahme, wie sie an sich noch nicht bekannt ist, besteht darin, durch geeignete Formgebung von Spulen und beeinflussendem Drehteil (Rotorteil des Sensors) eine besondere Art der Änderung der Induktivitätskennwerte oder der Oszillatorfrequenzen über den Drehwinkel des Drehteils zu erlangen.Another measure, which is not yet known, consists in achieving a special type of change in the inductance characteristics or the oscillator frequencies over the angle of rotation of the rotating part by means of a suitable shape of the coils and the influencing rotating part (rotor part of the sensor).
Diese Änderung oder Variation besteht aus einer periodischen, sinusartigen Funktion und zeichnet sich durch einen möglichst geringen Anteil an Oberwellen aus.This change or variation consists of a periodic, sinusoidal function and is characterized by the smallest possible proportion of harmonics.
Dies heißt mit anderen Worten , daß die Induktivität einen konstanten Grundwert besitzt und aufgrund der Rotorbewegung eine überlagerte Welligkeit aufweist, die die Form einer Sinusfunktion besitzt.In other words, this means that the inductance has a constant base value and, due to the rotor movement, has a superimposed ripple that has the shape of a sine function.
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Eine solche Maßnahme bewirkt in vorteilhafter Weise, daß aus von z.B. drei gleichzeitig gewonnenen Meßwerten eine relativ genaue Extrapolation der Rotorlage möglich ist , so daß die Verwendung von Korrekturtabellen oder -funktionen entweder entbehrlich ist oder allenfalls zur Errechnung besonders genauer Positionswerte herangezogen werden muß.Such a measure has the advantageous effect that a relatively accurate extrapolation of the rotor position is possible from, for example, three measured values obtained simultaneously, so that the use of correction tables or functions is either unnecessary or at most has to be used to calculate particularly accurate position values.
In einfacheren Ausführungsformen der Erfindung kann auf eine spezielle Formgebung von Spulen und/oder Rotorteilen verzichtet werden, allerdings ist dann zur Steigerung der Meßgenauigkeit die Verwendung der genannten Korrekturtabellen oder -funktionen erforderlich.In simpler embodiments of the invention, a special shape of coils and/or rotor parts can be dispensed with, but in this case the use of the aforementioned correction tables or functions is necessary to increase the measurement accuracy.
Fig. 1 zeigt einen kompletten Sensor, jedoch ohne die zugehörige Elektronik.Fig. 1 shows a complete sensor, but without the associated electronics.
Auf einer Grundplatte 1 befinden sich mehrere, mindestens jedoch 3 unterschiedliche Spulen oder Spulensätze.On a base plate 1 there are several, but at least 3 different coils or coil sets.
Diese Spulen können, wie in der Fig. 1 dargestellt, z.B. in gedruckter Leiterplattentechnik ausgeführt sein, sie können aber auch gewickelt sein, z.B. in der bekannten Backlackdraht-Technik.These coils can be made using printed circuit board technology, as shown in Fig. 1, for example, but they can also be wound, e.g. using the well-known baked enamel wire technology.
In der Fig. 1 sind sechs Einzelspulen dargestellt, von denen drei mit den Bezugsziffern 2, 3 und 6 gekennzeichnet sind.Fig. 1 shows six individual coils, three of which are marked with the reference numbers 2, 3 and 6.
*G II" * GII "
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Es ist nützlich, jeweils zwei diametral liegende Spulen in Serie zu verbinden, so daß sich eine doppelt so große Induktivität ergibt.It is useful to connect two diametrically opposite coils in series so that the inductance is twice as large.
Auf diese Weise sind in Fig. 1 drei Spulengruppen von je zwei Einzelspulen vorhanden. Der Vorteil dieser Maßnahme ist darin zu sehen, daß verschiedene Fehlereinflüsse, wie z.B. fehlerhafte Übereinstimmung zwischen Drehachse und dem Zentrum der Spulenanordnung auf der Grundplatte bereits zu einem gewissen Grade kompensiert werden.In this way, there are three coil groups of two individual coils each in Fig. 1. The advantage of this measure is that various error influences, such as incorrect alignment between the axis of rotation and the center of the coil arrangement on the base plate, are already compensated to a certain extent.
Oberhalb der Grundplatte 1 mit der Spulenanordnung befindet sich ein Rotorteil 7, welches mittels bzw. um eine Drehachse gedreht werden kann. Der Drehwinkel um die Achse wird mit ( phi ) bezeichnet und kann mehr als 3 60 deg. mech. betragen.Above the base plate 1 with the coil arrangement there is a rotor part 7 which can be rotated by means of or around a rotation axis. The angle of rotation around the axis is designated (phi) and can be more than 3 60 deg. mech.
Das Rotorteil 7 besteht im einfachsten Falle aus einem Stück Eisenblech . Es besitzt vorzugsweise eine spezielle Berandung oder Kontur 8.In the simplest case, the rotor part 7 consists of a piece of iron sheet. It preferably has a special edge or contour 8.
Bei Bedarf ist es mit radial verlaufenden Schlitzen versehen , welche die Ausbildung von Wirbelströmen verringern, sofern das Rotorteil 7 aus einem Blechstück besteht.If required, it is provided with radial slots which reduce the formation of eddy currents, provided that the rotor part 7 consists of a piece of sheet metal.
Alternativ kann das Rotorteil auch aus einem Ferrit-Teil bestehen, oder einem Kupferblech. Es ist natürlich auch möglich, eine geschichtete Bauweise aus einem Plastikträger und einem relativ dünnen Blechteil vorzusehen, insbesondere wenn hochpermeable Bleche als wirksamer Bestandteil für das Rotorteil 7 vorgesehen sind. Solche Bleche sind dann auf einer der Stirnflächen 11 des Rotorteils angebracht.Alternatively, the rotor part can also consist of a ferrite part or a copper sheet. It is of course also possible to provide a layered construction consisting of a plastic carrier and a relatively thin sheet metal part, especially if highly permeable sheets are provided as an effective component for the rotor part 7. Such sheets are then attached to one of the end faces 11 of the rotor part.
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Wichtig ist bei der Konstruktion des Sensors, daß Rotorteil und Spulensatz eine unterschiedliche Symmetrie aufweisen, d.h. daß z.B. das Rotorteil eine, zwei, vier oder acht etc. Symmetrieachsen aufweist, während die Spulenanordnung z.B. eine ungeradzahlige Symmetrie aufweist, d.h. Vielfache von 3, 5, 7, etc. Spulen vorhanden sind bzw. umgekehrt.When designing the sensor, it is important that the rotor part and the coil set have a different symmetry, i.e. that e.g. the rotor part has one, two, four or eight etc. axes of symmetry while the coil arrangement has an odd-numbered symmetry, i.e. multiples of 3, 5, 7, etc. coils are present or vice versa.
Auf diese Weise entsteht eine unterschiedliche Periodizität zwischen Peripherie des Rotorteils und der Spulenanordnung, welche für die auszuführende Analyse der einzelnen Induktivitätswerte der Spulen oder Spulengruppen von Vorteil ist .In this way, a different periodicity is created between the periphery of the rotor part and the coil arrangement, which is advantageous for the analysis of the individual inductance values of the coils or coil groups.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zum Sensor zugehörigen Auswerteelektronik. Die Spulen bzw. Spulengruppen des Sensors sind dort mit Ll, L2, L3 bezeichnet. Andere erfindungsgemäße Sensorkonstruktionen verwenden weitere Induktivitäten, z.B. fünf, sechs, sieben etc. Spulen oder Spulensätze.Fig. 2 shows a block diagram of the evaluation electronics associated with the sensor. The coils or coil groups of the sensor are designated L1, L2, L3. Other sensor designs according to the invention use additional inductances, e.g. five, six, seven, etc. coils or coil sets.
Die Spulen bzw.Induktivitätswerte Ll, L2, L3 arbeiten separat mit zugehörigen Oszillatorstufen 21, 22 bzw. 23 zusammen, welche Ausgangssignale fl, f2 und f3 etc. an die Auswerteeinheit 20 abgeben, wobei die Ausgangssignale vergleichbar große, aber merklich unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Die Frequenzunterschiede betragen typischerweise einige Prozent bezogen auf einen mittleren bzw. kennzeichnenden Frequenzwert dieser Ausgangssignale und sind abhängig von der Position des Rotorteils 7. Die Auswerteeinheit besteht zweckmäßigerweise aus einer elektronischen Schaltung, insbesondere einer Mikroprozessor-Schaltung , und besitzt insbesondere mindestens eine Frequenzmessungsstufe 24 zum Ermitteln der unterschiedlichen Frequenzen der Signale fl, f2, f3.The coils or inductance values Ll, L2, L3 work separately with associated oscillator stages 21, 22 and 23, respectively, which output output signals fl, f2 and f3 etc. to the evaluation unit 20, whereby the output signals have comparably large but noticeably different frequencies. The frequency differences are typically a few percent based on an average or characteristic frequency value of these output signals and are dependent on the position of the rotor part 7. The evaluation unit expediently consists of an electronic circuit, in particular a microprocessor circuit, and in particular has at least one frequency measuring stage 24 for determining the different frequencies of the signals fl, f2, f3.
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Hierzu dient vorzugsweise eine oder mehrere Zeitgeber/Zählereinheiten (Counter/Timer), wie sie in vielen Mikroprozessor-Bausteinen bereits fest eingebaut sind.This is preferably done using one or more timers/counter units (counter/timer), as they are already built into many microprocessor components.
Weiterhin weist die Auswerteeinheit 20 eine Analysator-Stufe auf, welche die ermittelten Frequenzwerte der Signale fl, f2, f3 benutzt, um eine Musteranalyse dieser Frequenzwerte durchzuführen und sich zu diesem Zweck im einfachsten Falle einer sog. Diskreten Fourier-Transformation (DFT) bedient.Furthermore, the evaluation unit 20 has an analyzer stage which uses the determined frequency values of the signals fl, f2, f3 to carry out a pattern analysis of these frequency values and, in the simplest case, uses a so-called discrete Fourier transformation (DFT) for this purpose.
Die Auswerteeinheit 20 gibt solcherart ermittelte bzw. analysierte Meßwerte weiter an eine digital- oder analog arbeitende Anzeige 26 oder an einen übergeordneten Rechner oder Regler 27, der in einem bevorzugten Anwendungsfall die Energetisierung eines Motors mit elektrischer Energie, Druckluft etc. steuert.The evaluation unit 20 forwards measured values determined or analyzed in this way to a digital or analog display 26 or to a higher-level computer or controller 27, which in a preferred application controls the energization of a motor with electrical energy, compressed air, etc.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für die Berandung oder Kontur eines erfindungsmäßigen Rotorteils 7.Fig. 3 shows a preferred embodiment for the edge or contour of a rotor part 7 according to the invention.
Zur Reduzierung der oben genannten Oberwellen ist es nämlich wichtig, daß die Kontur des Rotorteils abgestimmt ist auf die Form bzw. Kontur der Spulen. Eine besonders günstige Ausführungsform ergibt sich, wenn die Kontur des Rotorteils in Form einer allgemeinen Konchoide ausgelegt wird und daher in Polarkoordinaten gemäß einer Formel r = a + b*cos(c*phi) definiert ist, wobei r einen Fahrstrahl angibt, der sich vom Drehzentrum des Rotorteils aus erstreckt. Zwischen r und einer vordefinierten Grundstellung erstreckt sich der Winkel phi .In order to reduce the harmonics mentioned above, it is important that the contour of the rotor part is matched to the shape or contour of the coils. A particularly advantageous embodiment is obtained if the contour of the rotor part is designed in the form of a general conchoid and is therefore defined in polar coordinates according to a formula r = a + b*cos(c*phi), where r indicates a ray of travel that extends from the center of rotation of the rotor part. The angle phi extends between r and a predefined basic position.
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Fig. 3 A zeigt eine Kontur 31 in Form einer allgemeinen Konchoide , wie sie sich um ein Zentrum Z, 30, erstreckt.-Fig. 3 A shows a contour 31 in the form of a general conchoid, as it extends around a center Z, 30.-
Diese Kurve stellt somit die Abwicklung einer Konstanten 33 mit überlagerter Sinusfunktion 32 dar, wie sie in Abb. 3 B in kartesischen Koordinaten abgebildet ist.This curve thus represents the development of a constant 33 with a superimposed sine function 32, as shown in Fig. 3 B in Cartesian coordinates.
In einer einfacheren Ausführungsform genügt es, eine etwa ovale oder ellipsenähnliche Berandung 8 des Rotorteils vorzusehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel besitzt das Rotorteil etwa die Form einer Ziffer 8 oder die Form einer sog. Lemniskate.In a simpler embodiment, it is sufficient to provide an approximately oval or elliptical edge 8 of the rotor part. In another embodiment, the rotor part has approximately the shape of a number 8 or the shape of a so-called lemniscate.
In der Fig. 3 A ist die Berandung des Rotorteils 7 so gestaltet, daß auf 360 deg. mech. Winkel genau zwei Maximal-Ausdehnungen in radialer Richtung vorhanden sind.In Fig. 3 A, the edge of the rotor part 7 is designed in such a way that there are exactly two maximum expansions in the radial direction over a 360 degree mechanical angle.
Natürlich kann das Rotorteil eine andere Anzahl radialer Maximal-Erstreckungen aufweisen, insbesondere nur eine auf 360 deg. mech, was eine exzenter- oder konchoidenförmige Kontur ergibt, oder aber auch 3, 4, 5, 6, etc. auf 3 60 deg. mech., so daß sich Konturen in Form eines Kleeblattes etc. ergeben.Of course, the rotor part can have a different number of radial maximum extensions, in particular only one per 360 deg. mech., which results in an eccentric or conchoid-shaped contour, or also 3, 4, 5, 6, etc. per 3 60 deg. mech., so that contours in the shape of a cloverleaf etc. are obtained.
Ovale oder kreisförmige Formgebungen werden mit Vorteil auch für die Kontur 48 der Spulen des Sensors vorgesehen. (Fig. 4 A )Oval or circular shapes are also advantageously provided for the contour 48 of the sensor coils. (Fig. 4 A )
In einer anderen Ausführungsform besitzen die Spulen die Form von Kreis-Sektoren oder Sektoren von Kreisringen, d.h. die in radialer Richtung verlaufenden Begrenzungslinien der Spulen sind annähernd geradlinig und schließen einen Winkel alpha, Bezugszeichen 41, ein. ( Fig. 4 B, Fig. 4 C )In another embodiment, the coils have the shape of circular sectors or sectors of circular rings, i.e. the radial boundary lines of the coils are approximately straight and enclose an angle alpha, reference numeral 41. (Fig. 4 B, Fig. 4 C)
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Die Spulen besitzen typischerweise Anfangskontaktierungen und End-Kontaktierungen 46 und werden durch einen Innendurchmesser 42 sowie einen Außendurchmesser 42 begrenzt.The coils typically have initial contacts and end contacts 46 and are limited by an inner diameter 42 and an outer diameter 42.
Zur Feindefinition eines Induktivitätsverlaufs L(phi) über den Drehwinkel eines Rotorteils 7 ist noch eine Korrekturkontur 44 vorgesehen.A correction contour 44 is also provided for the fine definition of an inductance curve L(phi) over the angle of rotation of a rotor part 7.
In einer weiteren Ausführungsform leitet sich die Spulenform derart ab, daß die Abwicklung der Spule eine Fläche ergibt, die von einer Funktion ähnlich einer Cosinusfunktion berandet ist. ( Fig. 4D).In a further embodiment, the coil shape is derived in such a way that the development of the coil results in a surface that is bordered by a function similar to a cosine function. (Fig. 4D).
Die harmonische Analyse der Berandung solcher Spulen ergibt daher einen Satz periodischer Funktionen, von denen eine Funktion vergleichsweise stark vertreten ist und mit der dominanten Berandungsfunktion des Rotorteils übereinstimmt.The harmonic analysis of the boundary of such coils therefore results in a set of periodic functions, of which one function is comparatively strongly represented and corresponds to the dominant boundary function of the rotor part.
Fig. 5 zeigt die prinzipielle Anordnung einer einzelnen Spule 51 oder eines Spulensatzes im Zusammenspiel mit einer Oszillatorschaltung 50 . Hierzu existieren viele, dem Fachmann bekannte Schaltungen.Fig. 5 shows the basic arrangement of a single coil 51 or a set of coils in interaction with an oscillator circuit 50. There are many circuits for this purpose that are known to those skilled in the art.
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Im Normalfall wird pro Oszillator 50 eine ebenfallsNormally, 50 oscillators are used for each
frequenzbestimmende Kapazität 55 benötigt. Diese Kapazität istfrequency-determining capacity 55 is required. This capacity is
in der Regel für alle Oszillatoren von gleicher Größe.usually for all oscillators of the same size.
Es ist gemäß bekannten Gyratorschaltungen natürlich ebenfalls möglich, anstelle der Kapazität 55 eine weitere Spule heranzuziehen, so daß Abweichungen der Kapazitätwerte von einem Nominalwert dann keine Rolle mehr spielen.According to known gyrator circuits, it is of course also possible to use another coil instead of the capacitance 55, so that deviations of the capacitance values from a nominal value no longer play a role.
Wie in der Fig. 5 angedeutet, wird die Induktivität 51 durch Anwesenheit von entweder ferromagnetischen Materialien 52 oder diamagnetisch wirkenden Materialien 53 beeinflußt , oder durch eine Kombination beider solcher Materialien.As indicated in Fig. 5, the inductance 51 is influenced by the presence of either ferromagnetic materials 52 or diamagnetic materials 53, or by a combination of both such materials.
Je nach Überdeckung einer Spule durch ein Rotorteil mit obengenannten Eigenschaften ergibt sich eine veränderliche Frequenz des Oszillators 50 . Diese kann am Ausgang 56 gegenüber dem Massepotential 57 abgegriffen und weiterverarbeitet werden.Depending on the coverage of a coil by a rotor part with the above-mentioned properties, a variable frequency of the oscillator 50 results. This can be tapped at the output 56 opposite the ground potential 57 and further processed.
In Fig. 6 ist dargestellt, wie aufgrund der Dreizähligkeit der Spulen pro Sensor und einer bevorzugten Zweizähligkeit des Rotorteils 7 ein unterschiedlicher Verlauf der Induktivitäten über die Drehstellung ( phi oder &khgr; ) des Rotorteils eintritt. Die Kurven sind untereinander ähnlich, weisen aber bezüglich eines kennzeichnenden Durchgangs durch eine Mittelwert-Linie charakteristische Phasenversatzmaße delta gamma 1, delta gamma 2 und delta gamma 3 auf. Bei einer dreizähligen Spulenanordnung betragen diese Winkel im Prinzip genau 120 deg. el.Fig. 6 shows how, due to the threefold nature of the coils per sensor and a preferred twofold nature of the rotor part 7, a different course of the inductances occurs over the rotational position (phi or χ) of the rotor part. The curves are similar to one another, but have characteristic phase offset dimensions delta gamma 1, delta gamma 2 and delta gamma 3 with respect to a characteristic passage through a mean value line. With a threefold coil arrangement, these angles are in principle exactly 120 deg. el.
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Wie man sieht, gehört zu jedem Winkel phi bzw. zu jeder Position &khgr; des Rotorteils 7 eine eindeutige Kombination von drei Induktivitätswerten bzw. drei Oszillator-Frequenzwerten.As can be seen, each angle phi or each position x of the rotor part 7 corresponds to a unique combination of three inductance values or three oscillator frequency values.
Da die gezeichneten Funktionen sinusförmigen Charakter haben, bedeutet dies , daß in einer Rück-Rechnung aus drei gemessenen Induktivitätswerten auch auf die Position des Rotorteils 7 eindeutig zurückgeschlossen werden kann. Vergleichbare Zusammenhänge zur Positionsbestimmung eines Rotors aus mehreren Induktivitätswerten sind näher dargestellt in der PCT-Patentveröffentlichung WO 90-15473 .Since the functions shown have a sinusoidal character, this means that the position of the rotor part 7 can be clearly determined by back-calculating from three measured inductance values. Comparable relationships for determining the position of a rotor from several inductance values are presented in more detail in the PCT patent publication WO 90-15473.
Fig. 7 zeigt eine verwandte Darstellung eines derartigen Algorithmus zur Analyse von drei Frequenzsignalen zum Zwecke der Rotorpositionsbestimmung eines Rotorteils 7. Fig. 7 weist eine Abszisse 70 in x-Richtung auf sowie eine Ordinate 71, welche als Skala für gemessene Frequenzwerte der Oszillatoren dient. Beide Achsen kreuzen sich im Ursprung Zunächst werden mit gleichgroßen ( äquidistanten ) Abständen die Werte von gemessenen Frequenzen fl, f2 und f3 eingetragen, wie dies durch die Punkte 72, 73 und 74 symbolisiert ist. Diese Darstellung wird im Prinzip periodisch fortgesetzt durch ( ebenfalls äquidistante ) Werte fl1, etc., von denen jedoch nur fl' mit Bezugszifer 72' dargestellt ist, da die gezeigten Verhältnisse prinzipiell keine weiteren Informationen aufzeigen.Fig. 7 shows a related representation of such an algorithm for the analysis of three frequency signals for the purpose of determining the rotor position of a rotor part 7. Fig. 7 has an abscissa 70 in the x-direction and an ordinate 71, which serves as a scale for measured frequency values of the oscillators. Both axes cross at the origin. First, the values of measured frequencies fl, f2 and f3 are entered at equal (equidistant) intervals, as symbolized by points 72, 73 and 74. This representation is in principle continued periodically by (also equidistant) values fl 1 , etc., of which, however, only fl' is shown with reference number 72', since the relationships shown in principle do not provide any further information.
Zu den eingetragenen Werten fl, f2, f3 wird eine Sinusfunktion konstruiert, welche eine Periode besitzt, die dem x-Abstand zwischen 72 und 72' entspricht und welche genau durch alle drei Punkte 72, 73 und 74 geht. Eine solcheFor the entered values fl, f2, f3, a sine function is constructed which has a period that corresponds to the x-distance between 72 and 72' and which passes exactly through all three points 72, 73 and 74. Such a
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Sinusfunktion schwankt um eine Basislinie 76, welche die Sinusfunktion an zwei Punkten, 75 und 75' schneidet. Vom Punkt 75 wird das Lot auf die Abszisse 70 gefällt und ergibt den Fußpunkt 78, dessen Distanz zum Ursprung 77 mit Theta bezeichnet ist. Dieser Wert Theta variiert nun mit Verdrehung des Rotorteils 7 in direkt proportionaler Weise, wobei die Periodenlänge zwischen 72 und 72' direkt einer Periodizität des Sensors von 360 deg. el. entspricht. Dieser Zusammenhang ist um so exakter, je genauer die Induktivitätsfunktionen Li aus Fig. 6 sich durch eine Summe aus Konstantwert und reiner Sinusfunktion darstellen lassen.The sine function fluctuates around a base line 76, which intersects the sine function at two points, 75 and 75'. From point 75, the perpendicular is dropped to the abscissa 70 and results in the base point 78, whose distance from the origin 77 is designated as Theta. This value Theta now varies with rotation of the rotor part 7 in a directly proportional manner, whereby the period length between 72 and 72' directly corresponds to a periodicity of the sensor of 360 deg. el. This relationship is more precise the more precisely the inductance functions Li from Fig. 6 can be represented by a sum of constant value and pure sine function.
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, alle sachdienlichen Maßnahmen zu treffen, um einen solchen harmonischen Verlauf der Funktionen von Meßwerten zu realisieren. Je nach Aufbau der elektronischen Schaltung ist es dabei erwünscht, entweder die Induktivitätsfunktion direkt mit einer Modulation in Form einer Sinusfunktion zu versehen ( im Falle von Gyratorschaltungen) oder der Funktion/V L (phi)\ eine besonders oberwellenarme Form zu geben ( im Falle von L/C-Oszillator-Schaltungen).It is therefore an object of the present invention to take all appropriate measures to realize such a harmonious course of the functions of measured values. Depending on the structure of the electronic circuit, it is desirable either to provide the inductance function directly with a modulation in the form of a sine function (in the case of gyrator circuits) or to give the function /V L (phi)\ a form with particularly few harmonics (in the case of L/C oscillator circuits).
Für viele Anwendungsfälle ist die alternative Betrachtung zwischen Induktivitätsverlauf und Verlauf der Oszillatorfrequenzen jedoch von weniger wichtiger Bedeutung, da die Induktivitätswerte typischerweise nur um etwa 5 ... 10 % schwanken.For many applications, however, the alternative consideration between the inductance curve and the oscillator frequency curve is of less importance, since the inductance values typically only fluctuate by about 5 ... 10 %.
Dementsprechend ist die Beziehung zwischen Induktivitätsänderung und Frequenzänderung in erster Näherung proportional , gemäß der BeziehungAccordingly, the relationship between inductance change and frequency change is proportional to a first approximation, according to the relationship
V( 100 % + 2*a % ) * (lOO % Ta % ) ~~ * für Werte von a im Bereich von etwa -10 bis +10 .V( 100 % + 2*a % ) * (lOO % Ta % ) ~~ * for values of a in the range from about -10 to +10 .
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Sofern an den Sensor in Bezug auf Auflösung weniger hohe Anforderungen gestellt werden, genügen dann zur Ermittlung des Winkels Theta gemäß Fig. 7 Näherungskonstruktionen.If the resolution requirements of the sensor are less stringent, approximate constructions are sufficient to determine the angle Theta as shown in Fig. 7.
Eine wichtige solcher Näherungslösungen basiert darauf, daß im Falle eines dreizähligen Spulensatzes anstelle des exakten Wertes für V3 = 1.73 2... ein Näherungswert in Höhe von 3/2 = 1.5000 verwendet wird. Hierdurch kann die numerische Berechnung des Wertes für Theta mittels eines Mikroprozessors oder Mikrokontrollers wesentlich beschleunigt werden.An important approximate solution of this kind is based on the fact that in the case of a three-fold coil set, an approximate value of 3/2 = 1.5000 is used instead of the exact value for V3 = 1.73 2... This allows the numerical calculation of the value for theta to be significantly accelerated using a microprocessor or microcontroller.
Es versteht sich, daß die beschriebene Vorgehensweise nicht limitiert ist auf die Analyse von drei Meßwerten, sondernIt is clear that the procedure described is not limited to the analysis of three measured values, but
auch mit/4, 5, 6, 7 etc. Meßwerten vorgenommen werden kann. &Lgr; can also be carried out with/4, 5, 6, 7 etc. measurements. &Lgr;
In diesem Falle ist eine Sinusfunktion zu suchen, die mit bester Approximation die Meßwerte verbindet. Diese wird vorzugsweise mit Hilfe einer diskreten Fouriertransformation errechnet oder mit direkt äquivalenten Maßnahmen wie z.B. einer Schwerpunktsanalyse. Darüberhinaus stehen weitere Analyseverfahren zur Verfügung, wie z.B. Korrelationsanalysen, Analysen mittels sog. künstl. neuronaler Netze, sog. fuzzy logic usw. Diese liefern im wesentlichen vergleichbare Analyseergebnisse. Sie zeichnen sich jedoch derzeit durch einen höheren Hardwareaufwand aus .In this case, a sine function must be sought that connects the measured values with the best approximation. This is preferably calculated using a discrete Fourier transformation or with directly equivalent measures such as a center of gravity analysis. In addition, other analysis methods are available, such as correlation analyses, analyses using so-called artificial neural networks, so-called fuzzy logic, etc. These essentially provide comparable analysis results. However, they are currently characterized by a higher hardware outlay.
Es versteht sich, daß bei dieser Betrachtungsweise die Periode der Sinusfunktion mit der Periode über alle Meßwerte übereinstimmen soll.It is clear that in this approach the period of the sine function should correspond to the period of all measured values.
Fallen die Meßwerte nicht auf eine solche Sinusfunktion ( wobei zusätzliche konstante Glieder hier zunächst außer BetrachtIf the measured values do not fall on such a sine function (where additional constant terms are initially disregarded here
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&Idigr;3&Egr;-3&Oacgr;&Ogr;1 4Q *-' 22. April 1991 O H-MH&Idigr;3&Egr;-3&Oacgr;&Ogr;1 4 Q *-' 22 April 1991 O H-MH
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bleiben), so ist dies gleichbedeutend mit der Existenz höherer Harmonischer (d.h. sinusförmige Oberwellen ). Eine eindeutige Rekonstruktion der gesuchten Rotorposition ist dann ohne Korrekturmaßnahmen ( z.B. anhand von Tabellen ) nicht möglich.remain), this is equivalent to the existence of higher harmonics (i.e. sinusoidal harmonics). A clear reconstruction of the desired rotor position is then not possible without corrective measures (e.g. using tables).
Es ist ersichtlich ist, daß die Variation der Spuleninduktivitäten Li gem. Fig. 6 bzw. die Variation der zugehörigen Oszillatorfequenzen gemäß Fig. 2 möglichst oberwellenarm sein sollen, das heißt, daß es sich um eine reine Sinusfunktion handeln sollte.It is clear that the variation of the coil inductances Li according to Fig. 6 or the variation of the associated oscillator frequencies according to Fig. 2 should have as few harmonics as possible, i.e. that it should be a pure sine function.
Die höheren Oberwellen (Harmonischen) der Funktion sind dann im Vergleich zur Grundwelle (ersten Harmonischen) vergleichsweise schwach ausgeprägt.The higher harmonics of the function are then comparatively weak compared to the fundamental wave (first harmonic).
Fig. 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme, gemäß der es möglich ist, den ferromagnetischen Anteil des Rotorteils 7, der z.B. auch in Form gesinterten Materials hergestellt sein kann, noch mit einem Anteil diamagnetisch wirkenden Materials kombiniert wird. Kontur 81 berandet z.B. die ferromagnetisch wirkende Komponente des Rotors 7, während Kontur 82 die diamagnetisch wirkende Komponente berandet.Fig. 8 shows a further measure according to the invention, according to which it is possible to combine the ferromagnetic portion of the rotor part 7, which can also be made in the form of sintered material, with a portion of diamagnetically acting material. Contour 81, for example, borders the ferromagnetically acting component of the rotor 7, while contour 82 borders the diamagnetically acting component.
Zur Vermeidung von Wirbelströmen im Rotor weisen die einzelnen Teile des Rotors bevorzugt Schlitze 83, 84To avoid eddy currents in the rotor, the individual parts of the rotor preferably have slots 83, 84
auf.on.
Bevorzugte Ausführungsformen des Sensors zeigen Figuren 9 bis 12.Preferred embodiments of the sensor are shown in Figures 9 to 12.
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Fig. 9 zeigt ein zweiflügliges Rotorteil, welches um den Durchstoßungspunkt einer Achse 3 0 gedreht wird.Fig. 9 shows a two-bladed rotor part which is rotated around the point of penetration of an axis 3 0 .
Seine Berandung 90 verläuft exakt gemäß einer allgemeinen Konchoide und weist an zwei Stellen des Umfangs Minimalradien 92 auf und, um 90 deg. mech. dazu versetzt, MaximalradienIts edge 90 runs exactly according to a general conchoid and has minimum radii 92 at two points on the circumference and, offset by 90 deg. mech., maximum radii
Eine weitere Berandung dieser Art zeigt Fig. 10 mit ebenfalls exaktem Berandungsverlauf in Form einer Konchoide. Die Parameter der Berandungskurve sind jedoch so gewählt, daß im Bereich der Minimalradien 102 annähernd geradlinige Seitenstücke vorhanden sind . Im Bereich der Maximalradien 101 sind andererseits nahezu kreisbogenförmige Konturen vorhanden.Another border of this type is shown in Fig. 10, which also has an exact border in the form of a conchoid. However, the parameters of the border curve are selected so that in the area of the minimum radii 102 there are almost straight side pieces. In the area of the maximum radii 101, on the other hand, there are almost circular arc-shaped contours.
Eine weitere Berandung dieser Art zeigt eine weitere Konchoide 110 in Fig. 11. Auch diese wird um den Durchstoßungspunkt einer Achse 3 0 gedreht und besitzt aufgrund der gewählten Parameter nur einen Minimalradius 112 und einen Maximalradius 111. Ein Rotor mit dieser Berandung eignet sich z.B. im Zusammenspiel mit einem Statorteil mit drei Induktivitäten besonders dazu, ein eindeutiges Positionssignal auf 360 deg. mech. abzugeben, d.h. 360 deg. el. des Positionssignals entsprechen 360 deg. mech.Another edge of this type is shown by another conchoid 110 in Fig. 11. This is also rotated around the point of intersection of an axis 3 0 and, due to the selected parameters, has only a minimum radius 112 and a maximum radius 111. A rotor with this edge is particularly suitable, for example in conjunction with a stator part with three inductances, for emitting a clear position signal over 360 deg. mech., i.e. 360 deg. el. of the position signal corresponds to 360 deg. mech.
Eine bevorzugte Spulenauslegung für Induktivitäten des Statorteils eines Sensors zeigt Fig. 12. Hier erstrecken sich die drei Induktivitäten 123, 124 und 125 jeweils über einen Winkel alpha (Bezugszeichen 122) von 90 deg. mech. und sind symmetrisch über den Vollkreis angeordnet. Sie werden durch den Außendurchmesser 13 0A preferred coil design for inductances of the stator part of a sensor is shown in Fig. 12. Here, the three inductances 123, 124 and 125 each extend over an angle alpha (reference number 122) of 90 deg. mech. and are arranged symmetrically over the full circle. They are surrounded by the outer diameter 13 0
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begrenzt und nach innen durch den Innendurchmesser 121, bezogen auf ein Sensorzentrum 120, welches koaxial mit einer Rotorachse 30 liegt.and inwardly by the inner diameter 121, relative to a sensor center 120, which is coaxial with a rotor axis 30.
Die Anschlußpunkte 126 und 127 einer Spule sind verbunden mit einer Elektronik z.B. in Form einer integrierten Schaltung 128, welche in einer bevorzugten Ausführungsform einen frequenzbestimmenden Kondensator 129 aufweist.The connection points 126 and 127 of a coil are connected to an electronics, e.g. in the form of an integrated circuit 128, which in a preferred embodiment has a frequency-determining capacitor 129.
Es versteht sich, daß die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsmäßigen Drehstellungsgebers vielfältig sind und neben einer Verwendung des Sensors als Drehlagemelder für einen beliebigen Motor auch kleinere und miniaturisierte Ausführungsformen herstellbar sind, wie sie z.B. in Computer-Peripheriegeräten benötigt werden oder zur Überwachung von Ventilen oder Drosselklappen benötigt werden.It is understood that the application possibilities of the rotary position sensor according to the invention are diverse and in addition to using the sensor as a rotary position indicator for any motor, smaller and miniaturized versions can also be produced, such as those required in computer peripheral devices or for monitoring valves or throttle valves.
Claims (1)
Priority Applications (2)
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