DE9106064U1 - Sensor or encoder for rotary positions or movements - Google Patents
Sensor or encoder for rotary positions or movementsInfo
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Description
PAPST-MOTOREN GmfcH *& Cp KG :; * 16. Mai 1991PAPST-MOTOREN GmfcH *& Cp KG :; * 16 May 1991
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011-MH011-MH
Sensor oder Drehgeber für Drehstellungen oder -bewegungenSensor or encoder for rotary positions or movements
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Drehstellungen und -bewegungen, der auch als Drehgeber zur Erzeugung von Drehbewegungen einsetzbar ist.The invention relates to a sensor for detecting rotary positions and movements, which can also be used as a rotary encoder for generating rotary movements.
Sensoren für Drehstellungen oder -bewegungen sind in großer Zahl bekannt, wobei unterschiedlichste Spezialausführungen für beste Genauigkeit (Auflösung), für höchste Zuverlässigkeit, für niedrige Herstellkosten usw. verfügbar sind.Sensors for rotary positions or movements are known in large numbers, with a wide variety of special designs available for the best accuracy (resolution), for the highest reliability, for low manufacturing costs, etc.
Es ist Aufgabe der Erfindung, im Vergleich zu der Vielzahl bekannter gattungsgemäßer Sensoren für Drehbewegungen eine Ausführungsform bereitzustellen, die sich durch gute Genauigkeit und Zuverlässigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit bei dennoch niedrigen Herstellkosten auszeichnet.It is the object of the invention to provide, in comparison to the large number of known generic sensors for rotary movements, an embodiment which is characterized by good accuracy and reliability, high temperature resistance and yet low manufacturing costs.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor , dessen physische Grundkonfiguration in Anspruch 1 beschrieben ist und dessen Auswerteverfahren in Anspruch 12 beschrieben ist. Wie bei einer Vielzahl bekannter Sensoren besitzt auch der erfindungsgemäße Sensor gemäß Anspruch 5 eine Verwendungsmöglichkeit als Drehgeber. Es ist erfindungsgemäß eine kombinierte Verwendung von Sensor und Drehgeber zur Ausführung von geregelten Drehbewegungen besonders vorteilhaft.This object is achieved by a sensor whose basic physical configuration is described in claim 1 and whose evaluation method is described in claim 12. As with a large number of known sensors, the sensor according to the invention according to claim 5 also has the possibility of being used as a rotary encoder. According to the invention, a combined use of sensor and rotary encoder for carrying out controlled rotary movements is particularly advantageous.
PAPST-MOTOREN GSiH)H & Co KG : 16. Mai 1991 D-7742 St. Georgen DE-3002 GPAPST-MOTOREN GSiH)H & Co KG : 16 May 1991 D-7742 St. Georgen DE-3002 G
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Die Erfindung sieht vor, Drehbewegungen mittels mindestens drei magnetfeldempfindlichen und statisch arbeitenden
Sensoren wie zum Beispiel Hall-Sensoren zu detektieren, welche zwischen zwei einfachen Stanzteilen aus Eisen positioniert
sind. Die Stanzteile werden ihrerseits durch einen ringförmigen Permanentmagneten
mit alternierender achsialer Polung erregt .The invention provides for detecting rotary movements by means of at least three magnetic field-sensitive and statically operating sensors, such as Hall sensors, which are positioned between two simple stamped iron parts. The stamped parts are in turn held in place by a ring-shaped permanent magnet
excited with alternating axial polarity.
Die Stanzteile dienen also als Leitstücke für den magnetischen Fluß. Zur vereinfachten Montage der Sensoren kann eins der Flußleitstücke in bekannter Form als gedruckte Leiterplatte vorgesehen werden. (Sandwichlaminat Eisen/Glasfaser+Epoxidharz) In unterschiedlichen Teilbereichen der Flußleitstücke liegen zumeist unterschiedliche Magnetflüsse vor, die sich bei Bewegung des ringförmigen Magneten zyklisch ändern und gegeneinander definierten Phasenversatz besitzen, z. B. von 120 deg. el.The stamped parts therefore serve as conductors for the magnetic flux. To simplify the assembly of the sensors, one of the flux conductors can be provided in the usual form as a printed circuit board. (Sandwich laminate iron/glass fiber + epoxy resin) In different parts of the flux conductors there are usually different magnetic fluxes, which change cyclically when the ring-shaped magnet moves and have a defined phase offset from one another, e.g. of 120 deg. el.
Die genannten unterschiedlichen Magnetflüsse werden am Ort eines Sensorelements in ein entsprechendes elektrisches Signal gewandelt, wobei die elektrischen Signale sich bei einer Drehbewegung des ringförmigen Magneten ebenfalls zyklisch verändern und ebenfalls einen charakteristischen Phasenversatz gegeneinander aufweisen. Die Auswertung solcher individueller elektrischer Signale durch z.B. eine integrierte Schaltung führt zu einem Wert für die Drehlage des Ringmagneten.The different magnetic fluxes mentioned are converted into a corresponding electrical signal at the location of a sensor element, whereby the electrical signals also change cyclically when the ring-shaped magnet rotates and also have a characteristic phase offset from one another. The evaluation of such individual electrical signals by, for example, an integrated circuit leads to a value for the rotational position of the ring magnet.
In einer Ausführungsform, die einen zusätzlichen Betrieb als Drehgeber gestattet, werden die Flußleitstücke durch einen Satz von mindestens drei Spulen mit geeigneter Feldstärke und Phasenwinkel magnetisiert.In an embodiment that allows additional operation as a rotary encoder, the flux guides are magnetized by a set of at least three coils with suitable field strength and phase angle.
Hierduch wird ein Drehmoment auf den Ringmagneten ausgeübt, so daß sich eine Drehbewegung nach Maßgabe der eingestellten Feldverteilung und extern anliegender Gegen-Drehmomente ergibt.This exerts a torque on the ring magnet, resulting in a rotary movement in accordance with the set field distribution and externally applied counter torques.
PAPST-MOTOREN GinbH ST Co KG 16. Mai 1991PAPST-MOTOREN GinbH ST Co KG 16 May 1991
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. 1, 2, 3a, 3b, 4 sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an embodiment in Figs. 1, 2, 3a, 3b, 4 and in the following description.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsmäßiges SensorsystemFig. 1 shows a cross section through a sensor system according to the invention
Fig. 2 die Berandung eines unteren, kreisförmigen weichmagnetischen Elements bzw. Flußleitstücks mit montierten magnetfeldempfindlichen Sensoren, einer Auswerteschaltung sowie optional vorgesehenen Spulen, ferner ein zugehöriges Anschlußkabel für Stromversorgung und Fortleitung eines oder mehrerer Nutzsignale.Fig. 2 the edge of a lower, circular soft magnetic element or flux guide piece with mounted magnetic field sensitive sensors, an evaluation circuit and optionally provided coils, as well as an associated connection cable for power supply and transmission of one or more useful signals.
Fig. 3a und 3B die Berandung eines oberen, kreisringförmigen weichmagnetischen Elements bzw. FlußleitstücksFig. 3a and 3B the edge of an upper, circular ring-shaped soft magnetic element or flux guide piece
Fig. 4 die sog. Abwicklung des Magneten 4Fig. 4 the so-called development of the magnet 4
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht das Sensorsystem zum einen aus einem Rotorteil 1. Dieses besteht aus einer drehbaren Welle 2, die über eine kreisförmige Deckplatte 7 und ein zylinderförmiges Rückschlußteil 3 einen ebenfalls zylinderförmigen bzw. ringförmigen Permanentmagneten 4 trägt. In der gezeichneten Anordnung besitzt die Welle 2 eine (nicht gezeichnete) Lagerung oberhalb des Rotorteils 1, die Lagerung kann aber genausogut auch unterhalb des Rotorteils angeordnet sein, genauso ist es unerheblich,As can be seen from Fig. 1, the sensor system consists of a rotor part 1. This consists of a rotating shaft 2, which carries a permanent magnet 4, which is also cylindrical or ring-shaped, via a circular cover plate 7 and a cylindrical return part 3. In the arrangement shown, the shaft 2 has a bearing (not shown) above the rotor part 1, but the bearing can just as easily be arranged below the rotor part, and it is also irrelevant whether
PAPST-MOTOREN GffibH & Co KG ' 16. Mai 1991PAPST-MOTOREN GffibH & Co KG ' 16 May 1991
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ob die Lagerung innerhalb der Welle 2 vorgesehen ist oder z.B. als Kugellager die Welle 2 umfaßt.whether the bearing is provided within the shaft 2 or, for example, as a ball bearing encloses the shaft 2.
Der Permanentmagnet besitzt eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen, wobei die einzelnen Magnetpole sich z.B. von Stirnseite zu Stirnseite des Magneten erstrecken, und zwar in praktisch äquidistantem Winkelabstand.The permanent magnet has a plurality of north and south poles, with the individual magnetic poles extending, for example, from front to front of the magnet, at practically equidistant angular distances.
In der gezeigten, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich einzelne Magnetbereiche mit je einem Nord- und einem Südpol in axiale Richtung. Benachbarte Magnetbereiche besitzen jedoch unterschiedliche Vorzeichen, das heißt, auf einen Magnetbereich mit einem oberen Nordpol 5 und unterem Südpol 6 folgt ein Magnetbereich mit einem oberen Südpol, wie das auf der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist.In the embodiment shown, which is also advantageous, individual magnetic areas, each with a north and a south pole, extend in the axial direction. However, adjacent magnetic areas have different signs, i.e., a magnetic area with an upper north pole 5 and lower south pole 6 is followed by a magnetic area with an upper south pole, as shown in the right half of Fig. 1.
Die Rotoranordnung 1 wirkt auf den Stator 10 ein.The rotor arrangement 1 acts on the stator 10.
Hierbei wirken die jeweils oberen Hälften der Magnetpole auf die Zähne des oberen Flußleitstücks 30 ein, während die unteren Hälften der Magnetpole auf die Zähnung des unteren Flußleitstücks 10 einwirken. Die Zähnung der beiden Flußleitstücke ist bevorzugt deckungsgleich und weist Aussparungen von 180 deg. el. auf. Auf diese Weise wird z.B. das obere Flußleitstück in einem Teilbereich vorwiegend durch Nordpole erregt, während das untere im entsprechenden Teilbereich eine gegenpolige Erregung durch Südpole wahrnimmt.In this case, the upper halves of the magnetic poles act on the teeth of the upper flux guide piece 30, while the lower halves of the magnetic poles act on the teeth of the lower flux guide piece 10. The teeth of the two flux guide pieces are preferably congruent and have recesses of 180 degrees el. In this way, for example, the upper flux guide piece is excited predominantly by north poles in one sub-area, while the lower one in the corresponding sub-area perceives an opposite polarity excitation by south poles.
PAPST-MOTOREN GiEbH^S Cc KG 16. Mai 1991PAPST-MOTOREN GiEbH^S Cc KG 16 May 1991
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Daher besteht zwischen oberem und unterem Flußleitstück ein magnetisches Feld, welches durch einen zwischenliegenden magnetfeldempfindlichen Sensor 21 wahrgenommen wird. Für einen solchen Sensor werden mit Vorteil Hall-Sensoren verwendet, alternativ jedoch auch Feldplatten, magnetoresistive Sensoren etc.Therefore, there is a magnetic field between the upper and lower flux guide pieces, which is detected by an intermediate magnetic field-sensitive sensor 21. Hall sensors are advantageously used for such a sensor, but alternatively field plates, magnetoresistive sensors, etc.
Bei Drehung des Dauermagneten 4 kehren sich nach 180 deg. el. die magnetischen Verhältnisse um.When the permanent magnet 4 rotates, the magnetic conditions are reversed after 180 deg. el.
Vergleichbare Vorgänge finden in den beiden weiteren gezeichneten Teilbereichen des Sensors statt. Allerdings ist durch eine phasenversetzt angebrachte Zähnung dafür gesorgt, daß der Wechsel der Magnetisierung nicht im Gleichtakt zwischen den Teilbereichen bzw. Sektoren des Systems stattfindet, sondern daß deren Magnetisierung einen möglichst exakten Phasenversatz aufweist, im gezeichneten Beispiel einen solchen von 120 deg. el.Similar processes take place in the other two sections of the sensor shown. However, a phase-shifted toothing ensures that the change in magnetization does not take place in sync between the sections or sectors of the system, but that their magnetization has a phase shift that is as precise as possible, in the example shown a phase shift of 120 deg. el.
Dementsprechend sind auch die Ausgangssignale der drei Sensoren Hl, H2 und H3 (Bezugsziffern 21, 22 rsp. 23 ) mit einen Phasenversatz von 120 deg. el. behaftet.Accordingly, the output signals of the three sensors Hl, H2 and H3 (reference numbers 21, 22 and 23 respectively) have a phase shift of 120 deg. el.
Die phasenversetzten Ausgangssignale der Sensoren werden sodann durch eine integrierte elektronische Schaltung mittels einer geeigneten Mustererkennung in ein elektrisches Positions-Ausgangssignal gewandelt, wobei die Auswertung völlig entsprechend der Beschreibung der Offenlegungsschrift WO 90/15473 erfolgt.The phase-shifted output signals of the sensors are then converted into an electrical position output signal by an integrated electronic circuit using suitable pattern recognition, with the evaluation being carried out completely in accordance with the description in the published patent application WO 90/15473.
PAPST-MOTOREN GirtbH* £ Co" KG^ 16. Mai 1991PAPST-MOTORS GirtbH* £ Co" KG^ 16 May 1991
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In Fig. 2 sind weitere Einzelheiten des unteren FlußleitstücksFig. 2 shows further details of the lower flux guide
10 dargestellt. Wie oben erwähnt, wird dieses Flußleitstück bevorzugt aus einem kaschierten Eisenblech hergestellt, so daß elektronische Bauelemente wie Sensoren 21, 22 , 23, IC 20, ggf. Antriebsspulen 24 direkt auf die Kaschierung aufgeklebt und mittels vorgesehener Lötanschlußpunkte 25 oder 2 6 an gedruckte Leiterbahnen angelötet werden.10. As mentioned above, this flux guide piece is preferably made from a laminated iron sheet, so that electronic components such as sensors 21, 22, 23, IC 20, and possibly drive coils 24 can be glued directly onto the lamination and soldered to printed conductor tracks using the soldering connection points 25 or 26 provided.
Desgleichen wird die Zuleitung 17 für die Stromversorgung bzw. für Signalleitungen bevorzugt an derartige Leiterbahnen angelötet bzw. kontaktiert.Likewise, the supply line 17 for the power supply or for signal lines is preferably soldered or contacted to such conductor tracks.
Um die phasenversetzten Magnet-Teilflüsse in gewissem Maße voneinander zu separieren, sind EinkerbungenIn order to separate the phase-shifted magnetic partial fluxes to a certain extent, notches
11 sowie Aussparungen 14 vorgesehen. Die Ausnehmungen dienen wie erwähnt dazu, ein Flußleitstück in den Bereich einer Anzahl gleichnamiger Pole zu bringen .11 and recesses 14 are provided. As mentioned, the recesses serve to bring a flux guide into the area of a number of poles of the same name.
Um das Statorteil 10 auf einer vorgesehenen Unterlage zu befestigen, sind Befestigungslöcher vorgesehen, die mit Befestigungselementen 15 zusammenwirken.In order to fasten the stator part 10 to a designated base, fastening holes are provided which interact with fastening elements 15.
Spulen 24 sind optional um die Magnetfeldsensoren 21, 22, angebracht und werden mit Vorteil durch die integrierte Schaltung 20 bestromt. Je nach Stärke und Vorzeichen eines Spulenstroms ergeben sich im oberen und unteren Flußleitstück Magnetfelder, die eine kontinuierliche Positionierung des Rotorteils 1 gestatten. Im Wechsel mit einer derartigen Bestromung erfolgt die Überprüfung der Position bzw. Drehlage des Rotorteils 1 durch Sensorelemente 21, 22, 23 im Zusammenspiel mit IC 20.Coils 24 are optionally attached around the magnetic field sensors 21, 22 and are advantageously energized by the integrated circuit 20. Depending on the strength and sign of a coil current, magnetic fields arise in the upper and lower flux guide pieces, which allow continuous positioning of the rotor part 1. Alternating with such energization, the position or rotational orientation of the rotor part 1 is checked by sensor elements 21, 22, 23 in conjunction with IC 20.
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In Fig. 3a und 3b ist ein oberes Flußleitstück 30 näher dargestellt.In Fig. 3a and 3b an upper flux guide piece 30 is shown in more detail.
Gegenüber seiner Peripherie befindet sich der Ringmagnet 4 mit
äquidistanten Nord- und Südpolen. Wie man der Fig. 3 B entnimmt, besitzen die Zähnungen der einzelnen Bereiche
der Flußleitstücke gegeneinander den gewünschten
Phasenversatz von 120 deg. el. ( Winkel Beta = 240 deg.el., Winkel Gamma =120 deg. el. )Opposite its periphery is the ring magnet 4 with equidistant north and south poles. As can be seen from Fig. 3 B, the teeth of the individual areas of the flux guides have the desired
Phase shift of 120 deg. el. (angle beta = 240 deg. el., angle gamma = 120 deg. el.)
Es versteht sich, daß anstelle von drei sektorenförmigen Bereichen des Sensors auch z.B. 4, 5, 6, 7 etc. vorgesehen werden können.It goes without saying that instead of three sector-shaped areas of the sensor, e.g. 4, 5, 6, 7 etc. can also be provided.
Claims (16)
wobei das Ergebnis der Mustererkennung ein Winkel- oder Phasenwert ist, welcher anhand einer Korrekturtabelle oder -funktion in proportionale Übereinstimung mit der relativen Drehlage zwischen Rotorteil und Statorteil gebracht wird.and which subjects the output signals to pattern recognition according to a known evaluation method, in particular a method according to WO 90/15473, preferably by means of a discrete Fourier transformation,
The result of the pattern recognition is an angle or phase value which is brought into proportional agreement with the relative rotational position between the rotor part and the stator part using a correction table or function.
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