DE69015634T2

DE69015634T2 - Zero search position sensor.

Info

Publication number: DE69015634T2
Application number: DE1990615634
Authority: DE
Inventors: George H Ellis; James Christopher Kirby
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1990-10-02
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-10-03
Also published as: DE69015634D1

Description

Diese Erfindung betrifft Sensoren, und insbesondere Positionssensoren. Positionssensoren liefern Signale, die die Position eines mit ihnen verbundenen beweglichen Bauteiles relativ zu einer festen Position angeben.This invention relates to sensors, and more particularly to position sensors. Position sensors provide signals indicating the position of a movable component connected to them relative to a fixed position.

Die Erfindung betrifft auch Sensoren zur Verwendung in elektrischen Maschinen, wie unter anderen bürstenlosen Gleichstromantrieben und Synchronmotoren. Maschinen und Antriebe dieser Art werden für die Positionierung in Werkzeugmaschinen und Robotern verwendet. Zusätzlich zu den genannten Anwendungen stellen die Drehwinkelbestimmung im allgemeinen und die Motorkommutation weitere vorzugsweise Anwendungsbereiche dar.The invention also relates to sensors for use in electrical machines, such as, among others, brushless DC drives and synchronous motors. Machines and drives of this type are used for positioning in machine tools and robots. In addition to the applications mentioned, the determination of angle of rotation in general and motor commutation represent further preferred areas of application.

Es gibt bereits Positions- und Geschwindigkeitssensoren, einschließlich Absolutwert- und Inkrement-Digital-Kodiereinrichtungen, Resolver auf der Basis variierender gegenseitiger Induktanz relativ gegeneinander verschiebbarer Wicklungen, variable Kapazitätseinrichtungen, Hall-Effekt- Einrichtungen für Permanentmagnet-Felder, und Inductosyn -Wandler. In einigen Anwendungsbereichen können die genannten Lösungen zur Positionsbestimmung jedoch zu kostspielig oder in aggressiver Umgebung zu unzuverlässig sein, insbesondere, wenn die Anwendung in der Feststellung von nur einer bestimmten Winkel- oder Linear-Position besteht.Position and speed sensors already exist, including absolute and incremental digital encoders, resolvers based on varying mutual inductance of relatively movable windings, variable capacitance devices, Hall effect devices for permanent magnet fields, and inductosyn transducers. However, in some applications, these position sensing solutions may be too expensive or too unreliable in hostile environments, especially if the application is to detect only a specific angular or linear position.

Eine neuere Erfindung auf dem Gebiet der Positionssensoren benutzt die abgeschirmte magnetische Kupplungstechnik. Nach dieser Technik wird ein entsprechend dimensionierter leitfähiger Schirm an einem eine Rotations- oder Linearbewegung ausführenden Bauteil so angebracht, daß der Schirm sich durch einen Luftspalt zwischen mindestens zwei Paaren magnetisch verbundener Spulen bewegen kann. Bewegt sich der Schirm in den Luftspalt, blockiert er die magnetische Kupplung zwischen den Spulen und reduziert gleichzeitig die induzierte Spannung in mindestens einer der Spulen. Aus dieser Spannungsänderung kann die Position des Schirmes bestimmt werden. Ein Positionssensor nach der beschriebenen Technik, der einen fortlaufend analoge oder digitale kodierte Positionssignale liefert, ist in US-A- 4,737,698 beschrieben.A more recent invention in the field of position sensors uses the shielded magnetic coupling technique. According to this technique, an appropriately dimensioned conductive shield is attached to a component that performs a rotary or linear movement in such a way that the shield can move through an air gap between at least two pairs of magnetically connected coils. When the shield moves into the air gap, it blocks the magnetic coupling between the coils and simultaneously reduces the induced voltage in at least one of the coils. From this voltage change, the position of the shield can be determined. A position sensor according to the described technique, which provides a continuous analog or digital coded position signal, is described in US-A-4,737,698.

Ein Schirm-Mikromotor zum Messen von Verschiebungen wurde in Electro- Technology 66, 11/60, Seite 11 beschrieben. Der Schirm-Mikromotor enthält ein Abschirmbauteil, das im Luftspalt zwischen zwei Spulenpaaren angeordnet ist, einen Oszillator, der mit dem einem Spulenpaar verbunden ist, und einen Verstärker, der mit dem anderen Spulenpaar verbunden ist, einen phasenempfindlichen Detektor, der mit dem Oszillator und dem Verstärker verbunden ist, und ein Meßinstrument mit Skaleneinteilung und zentralem Nullpunkt zum Anzeigen der Verschiebung.A shield micromotor for measuring displacements was described in Electro-Technology 66, 11/60, page 11. The shield micromotor comprises a shielding member arranged in the air gap between two pairs of coils, an oscillator connected to one pair of coils and an amplifier connected to the other pair of coils, a phase sensitive detector connected to the oscillator and the amplifier and a measuring instrument with scale and central zero point to indicate the displacement.

Die in JP-A-57/197418 bekanntgemachte Verschiebungs-Meßvorrichtung enthält einen Verschiebungsdetektor, der mit dem beweglichen Kern eines Differential-Transformers verbunden ist. Die Primärspule des Differential- Transformers ist mit einer Wechselstromquelle verbunden. Zwei Sekundärspulen sind mit einem Arbeitsstromkreis verbunden, der ein Differenz- und ein Summensignal liefert. Das Differenzsignal wird verstärkt, einem Synchron-Detektor zugeführt und synchron unter Benutzung des Summensignals erfaßt.The displacement measuring device disclosed in JP-A-57/197418 contains a displacement detector connected to the movable core of a differential transformer. The primary coil of the differential transformer is connected to an AC power source. Two secondary coils are connected to a working circuit which supplies a differential and a sum signal. The differential signal is amplified, fed to a synchronous detector and detected synchronously using the sum signal.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Positionssensor herzustellen, der eine bestimmte Winkelposition eines rotierenden Bauteiles feststellen kann.It is an object of the invention to produce a position sensor that can determine a specific angular position of a rotating component.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Positionssensor herzustellen, der eine bestimmte lineare Position eines sich linear bewegenden Bauteiles feststellen kann.It is a further object of the invention to produce a position sensor that can determine a specific linear position of a linearly moving component.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Positionssensor zu geringen Kosten herzustellen, der äußerst genau ist mit im wesentlichen keiner thermischen Abweichung oder Hysterese.It is another object of the invention to produce a position sensor at low cost that is extremely accurate with substantially no thermal drift or hysteresis.

Entsprechend der Erfindung wird ein Positionssensor zur Verfügung gestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht und ein Verfahren zum Festellen der Position eines beweglichen Bauteils, wie in Anspruch 2 beansprucht.According to the invention there is provided a position sensor as claimed in claim 1 and a method for detecting the position of a movable member as claimed in claim 2.

Die folgenden Zeichnungen, zusammen mit der ausführlichen Beschreibung, dienen der Veranschaulichung der Erfindung.The following drawings, together with the detailed description, serve to illustrate the invention.

Fig. 1 ist ein Blockschaltplan eines Positionssensors, hergestellt entsprechend der Erfindung.Fig. 1 is a block diagram of a position sensor made according to the invention.

Fig. 2A ist eine Ansicht des Schirmbauteils in einer Position.Fig. 2A is a view of the shield assembly in one position.

Fig. 2B ist eine Ansicht des Schirmbauteils in einer anderen Position.Fig. 2B is a view of the shield assembly in a different position.

Fig. 2C ist eine Ansicht des Schirmbauteils in einer dritten Position.Fig. 2C is a view of the shield assembly in a third position.

Die Erfindung wird zunächst anhand der physikalischen Anordnung eines entsprechend der Erfindung hergestellten Positionssensors beschrieben und anschließend daran wird die Arbeitsweise des Schaltkreises erklärt.The invention is first described using the physical arrangement of a position sensor manufactured according to the invention and then the operation of the circuit is explained.

Fig. 1 zeigt einen Blockschaltplan, in dem zwei Primär-Sensorwicklungen 10, 12 und zwei Sekundär-Sensorwicklungen 14, 16 durch einen Luftspalt getrennt sind. Durch diesem Luftspalt kann das Schirmbauteil 18 hindurchbewegt werden, das mit einem rotierenden oder sich linear bewegenden Bauteil verbunden ist.Fig. 1 shows a block diagram in which two primary sensor windings 10, 12 and two secondary sensor windings 14, 16 are separated by an air gap. The shield component 18, which is connected to a rotating or linearly moving component, can be moved through this air gap.

Ein Oszillator 20 treibt beide Primär-Sensorwicklungen 10 und 12 an. Weiterhin, da das in den Sekundär-Sensorwicklungen 14 und 16 erzeugte Signal die gleiche Frequenz hat wie das von Oszillator 20, steuert der Oszillator 20 den gleichrichtenden Schaltkreis, der das Signal, das die Differenz zwischen dem Signal von der Sekundär-Sensorwicklung 16 und jenem von der Sekundär-Sensorwicklung 14 angibt, synchron gleichrichtet. Um den Synchron-Gleichrichterkreis zu steuern, ist der Ausgang von Oszillator 20 mit einem Vorzeichen-Komparator 22 verbunden. Dieser Komparator 22 steuert den Synchrongleichrichter 40.An oscillator 20 drives both primary sensor windings 10 and 12. Furthermore, since the signal generated in secondary sensor windings 14 and 16 has the same frequency as that of oscillator 20, oscillator 20 controls the rectifying circuit which synchronously rectifies the signal indicative of the difference between the signal from secondary sensor winding 16 and that from secondary sensor winding 14. To control the synchronous rectifying circuit, the output of oscillator 20 is connected to a sign comparator 22. This comparator 22 controls synchronous rectifier 40.

Jede Sekundär-Sensorwicklung 14 und 16 ist sowohl mit einem Differentialverstärker 28 als auch mit einem Summierverstärker 24 verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers 28 ist mit dem Synchromgleichrichter 40 verbunden, und zwar sowohl direkt als auch über einem Umkehrverstärker 26. Der Ausgang des Synchrongleichrichters 40 ist mit einem Nullkomparator 62 verbunden.Each secondary sensor winding 14 and 16 is connected to both a differential amplifier 28 and a summing amplifier 24. The output of the differential amplifier 28 is connected to the synchronous rectifier 40, both directly and through an inverting amplifier 26. The output of the synchronous rectifier 40 is connected to a zero comparator 62.

Ein Gleichrichter-Schaltkreis 30 richtet die Ausgangsspannung des Summierverstärkers 24 gleich. Dieses gleichgerichtete Signal wird einem Minimumkomparator 60 zugeführt. Um die Referenzspannung auf den Minimumkomparator zu geben, ist dieser auch mit einer Referenzstromquelle 50 verbunden. Die Spannung der Referenzstromquelle 50 muss so gewählt sein, daß die Ausgangsspannung des Minimumkomparators 60 V(1) ist, wenn der Schirm 18 sich in einer das Feld unterbrechenden Position befindet, und die Ausgangsspannung des Minimumkomparators 60 V(0) ist, wenn der Schirm 18 sich außerhalb einer das Feld unterbrechenden Position befindet.A rectifier circuit 30 rectifies the output voltage of the summing amplifier 24. This rectified signal is fed to a minimum comparator 60. In order to provide the reference voltage to the minimum comparator, the latter is also connected to a reference current source 50. The voltage of the reference current source 50 must be selected such that the output voltage of the minimum comparator is 60 V(1) when the screen 18 is in a field-interrupting position and the output voltage of the minimum comparator is 60 V(0) when the screen 18 is outside a field-interrupting position.

Die Ausgänge sowohl des Nullkomparators 62 als auch des Minimumkomparators 60 werden einem UND-Schaltkreis 70 zugeführt, dessen Ausgang die Position des die Dreh- oder Linearbewegung ausführenden Bauteiles angibt. Vor diesem Hintergrund des physikalischen Aufbaus des in Fig.1 gezeigten Positionssensors kann dessen Arbeitsweise erläutert werden.The outputs of both the zero comparator 62 and the minimum comparator 60 are fed to an AND circuit 70, the output of which indicates the position of the component carrying out the rotary or linear movement. Against this background of the physical structure of the position sensor shown in Fig.1, its mode of operation can be explained.

Der Schaltkreis liefert verschiedene Ausgangssignale, entsprechend der Position des Schirmbauteils 18 relativ zu den Sensorwicklungen 10, 12, 14, 16. Deshalb werden die Vorgänge im Schaltkreis anschaulich für drei verschiedene Positionen des Schirmbauteils 18 erläutert, wobei diese drei Positionen in den Figuren 2A bis 2C dargestellt sind.The circuit provides different output signals, depending on the position of the shield component 18 relative to the sensor windings 10, 12, 14, 16. Therefore, the processes in the circuit are clearly explained for three different positions of the shield component 18, these three positions being shown in Figures 2A to 2C.

Unabhängig von der Position des Schirmbauteils versorgt der Oszillator 20 die Primär-Sensorwicklungen 10 und 12. Sobald sich das Schirmbauteil 18 in der in Fig. 2A gezeigten Position befindet, induziert die Primär-Sensorwicklung 10 im wesentlichen die gleiche Spannung in der Sekundär- Sensorwicklung 14 wie die Primär-Sensorwicklung 12 in der Sekundär- Sensorwicklung 16. Kurz gesagt entspricht die Spannung im Punkt 21 derjenigen im Punkt 23.Regardless of the position of the shield member, the oscillator 20 supplies the primary sensor windings 10 and 12. As soon as the shield member 18 is in the position shown in Fig. 2A, the primary sensor winding induces 10 essentially the same voltage in the secondary sensor winding 14 as the primary sensor winding 12 in the secondary sensor winding 16. In short, the voltage at point 21 corresponds to that at point 23.

Da diese Spannungen im wesentlichen gleich sind, ist der Ausgang des Differentialverstärkers 28 praktisch Null. Ähnlich ist der Ausgang des Synchrongleichrichters 40 im wesentlichen Null, was die Ausgangsspannung des Nullkomparators 62 veranlaßt, auf V(1) zu gehen.Since these voltages are substantially equal, the output of the differential amplifier 28 is essentially zero. Similarly, the output of the synchronous rectifier 40 is essentially zero, causing the output voltage of the zero comparator 62 to go to V(1).

Der Summierverstärker 24 addiert die Spannung im Punkt 21 zur Spannung im Punkt 23. Das entstehende Signal geht durch einen Gleichrichter und lädt eine Kapazität 52. Wenn sich das Schirmbauteil 18 in der in Figur 2A gezeigten Position befindet, übersteigt die Spannung an der Kapazität 52 die Referenzspannung 50; dies veranlaßt den Minimumkomparator 60 auf V(0) zu gehen.The summing amplifier 24 adds the voltage at point 21 to the voltage at point 23. The resulting signal passes through a rectifier and charges a capacitor 52. When the shield member 18 is in the position shown in Figure 2A, the voltage across the capacitor 52 exceeds the reference voltage 50; this causes the minimum comparator 60 to go to V(0).

Ist der Minimumkomparator 60 bei V(0) und der Nullkomparator 62 bei V(1) bleibt der Ausgang des UND-Schaltkreises 70 und somit der Ausgang des Positionssensors bei V(0).If the minimum comparator 60 is at V(0) and the zero comparator 62 is at V(1), the output of the AND circuit 70 and thus the output of the position sensor remains at V(0).

Bewegt sich das Schirmbauteil 18 auf die Sensorwicklungen 10, 12, 14 und 16 zu, erreicht es schließlich die in Fig.2B gezeigte Position. In diesem Punkt verhindert das Schirmbauteil 18 im wesentlichen, daß ein Spannungssignal im der Sekundär-Sensorwicklung 14 induziert wird. Deshalb ist das Spannungssignal im Punkt 21 nicht gleich dem Spannungssignal im Punkt 23. Da die Spannungen nicht gleich sind, erzeugt der Differentialverstärker 28 ein Nicht-Null Ausgangssignal, welches nach synchroner Gleichrichtung den Ausgang des Nullkomparators 62 veranlaßt, auf V(0) zu gehen.As the shield member 18 moves toward the sensor windings 10, 12, 14 and 16, it eventually reaches the position shown in Fig. 2B. At this point, the shield member 18 essentially prevents a voltage signal from being induced in the secondary sensor winding 14. Therefore, the voltage signal at point 21 is not equal to the voltage signal at point 23. Since the voltages are not equal, the differential amplifier 28 produces a non-zero output signal which, after synchronous rectification, causes the output of the zero comparator 62 to go to V(0).

Der Minimumkomparator 60 aber geht auf V(1). Da praktisch keine Spannung in der Sekundär-Sensorwicklung 14 induziert wird, lädt das gleichgerichtete Ausgangsignal des Summierverstärkers 24 die Kapazitaet 52 auf eine Spannung unterhalb der Referenzspannung 50. Wenn dies geschieht, geht der Ausgang der UND-Schaltung 70 auf V(0).However, the minimum comparator 60 goes to V(1). Since virtually no voltage is induced in the secondary sensor winding 14, the rectified output of the summing amplifier 24 charges the capacitor 52 to a voltage below the reference voltage 50. When this happens, the output of the AND circuit 70 goes to V(0).

Erreicht das Schirmbauteil 18 die in Fig. 2B gezeigte Position, geht der Minimumkomparator 60 auf V(1) und der Nullkomparator 62 geht auf V(0). Damit geht der Ausgang der UND-Schaltung 70 auf V(0).When the shielding component 18 reaches the position shown in Fig. 2B, the minimum comparator 60 goes to V(1) and the zero comparator 62 goes to V(0). The output of the AND circuit 70 therefore goes to V(0).

Das Schirmbauteil 18 erreicht schließlich den Punkt, in dem es die magnetische Kupplung zwischen der Primär-Sensorwicklung 10 und der Sekundär- Sensorwicklung 14 im gleichen Maß blockiert wie jene zwischen der Primär- Sensorwicklung 12 und der Sekundär-Sensorwicklung 16. In diesem in Fig. 2C gezeigten Punkt sind die Spannungssignale in den Punkten 21 und 23 praktisch gleich.The shield component 18 eventually reaches the point where it blocks the magnetic coupling between the primary sensor winding 10 and the secondary sensor winding 14 to the same extent as that between the primary sensor winding 12 and the secondary sensor winding 16. In this case, shown in Fig. At the point shown in Figure 2C, the voltage signals at points 21 and 23 are practically equal.

Wenn die beiden Signale praktisch gleich sind, geht der Ausgang des Differentialverstärkers 28 gegen Null, was den Nullkomparator 62 veranlaßt, auf V(10 zu gehen.When the two signals are substantially equal, the output of the differential amplifier 28 goes to zero, causing the zero comparator 62 to go to V(10.

Die Spannung an der Kapazität 52 bleibt unterhalb der Referenzspamnung 50. Deshalb bleibt Minimumkomparator 60 bei V(1).The voltage across capacitor 52 remains below reference voltage 50. Therefore minimum comparator 60 remains at V(1).

Sind der Nullkomparator 62 und der Minimumkomparator 60 beide auf V(1) geht der Ausgang der UND-Schaltung 70, und damit der Positionssensor, auf V(1). Dies zeigt an, daß das Schirmbauteil 18 in der in Fig. 2C gezeigten Position ist.If the zero comparator 62 and the minimum comparator 60 are both at V(1), the output of the AND circuit 70, and hence the position sensor, goes to V(1). This indicates that the shield member 18 is in the position shown in Fig. 2C.

Der oben beschriebene Positionssensor liefert ein Signal, wenn das Schirmbauteil ein Feld in einer bestimmten Position zwischen entsprechenden Antriebs- und Sensorwicklungen unterbricht. Für den Fachmann wird leicht erkennbar sein, daß im Rahmen der Erfindung viele Variationen möglich sind.The position sensor described above provides a signal when the shield member interrupts a field at a particular position between respective drive and sensor windings. Those skilled in the art will readily recognize that many variations are possible within the scope of the invention.

Claims

1. A position sensor comprising a pair of primary sensor windings; a pair of secondary sensor windings, the primary sensor winding pair being separated from the secondary sensor winding pair by an air gap; at least one shield member (18) made of a material capable of interrupting a magnetic drive field and which can be arranged in the air gap depending on the position of a movable component whose position the sensor is to determine; an oscillator drive (20) for supplying current to the primary sensor winding pair, said current in said primary sensor winding pair inducing a corresponding current in said secondary sensor winding pair, characterized in that said primary sensor windings are connected in parallel with said oscillator drive (20); and that the position sensor further comprises circuits including a comparator (22), a summing amplifier (24), an inverting amplifier (26), a differential amplifier (28), a rectifier (30), a synchronous rectifier (40), a reference voltage source (50), a minimum comparator (60), a zero comparator (62) and an AND circuit (70), and said circuit provides a first signal corresponding to the sum of the signals provided by the secondary sensor winding pair, and said circuit provides a second signal corresponding to the difference of the signals provided by the secondary sensor winding pair, the first signal corresponding to a maximum value and the second signal corresponding to a minimum value when the shield component is outside the air gap, and the second signal again corresponding to a minimum value when the shield component is in a certain position within the air gap, and the Circuit performs a minimum value test with respect to the first signal by comparing it with a reference signal and combines the results by means of an AND circuit (70) which produces an indication as soon as the shield component (18) is in a certain position within the air gap.

2. A method for determining the position of a moving component comprising the following steps:

Arranging a pair of primary sensor windings (10, 12) in proximity to a pair of secondary sensor windings (14, 16), the primary sensor winding pair being separated from the secondary sensor winding pair by an air gap;

mechanically connecting the movable component to a shielding component (18) made of a material capable of interrupting a magnetic drive field and which can be arranged in an air gap depending on the position of the movable component whose position the sensor is intended to determine;

supplying oscillating current to the primary sensor winding pair and inducing current in said secondary sensor winding pair; and

Determine whether the said shielding component is in the air gap; and

Generating an indication as soon as the shield component is in a certain position within the air gap;

characterized in that the oscillating current is supplied in parallel to the primary sensor winding pair; and in that the method further includes providing a first signal corresponding to the sum of the signals supplied by the secondary sensor winding pair and providing a second signal corresponding to the difference of the signals supplied by the secondary sensor winding pair, the first signal corresponding to a maximum value and the second signal corresponding to a minimum value when the shield member is outside the air gap, and the second signal again corresponding to a minimum value when the shield member is in a certain position within the air gap; and

Performing a minimum value test with respect to the first signal by comparing it with a reference signal; and

performing a zero value test on the second signal to determine a minimum value thereof; and

Combining the results in an AND circuit (70) which produces an indication as soon as the shield component is in a certain position within the air gap.