DE69816020T2

DE69816020T2 - Geschwindigkeits- und Positionsgeber für rotierende Wellen

Info

Publication number: DE69816020T2
Application number: DE69816020T
Authority: DE
Inventors: Fernand Peilloud
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN Europe SA
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: FR2773212B1; DE69816020D1; FR2773212A1; EP0927872B1; JPH11248486A; EP0927872A1; US6163147A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der relativen Lage und der Geschwindigkeit einer drehenden Welle, die durch einen ringförmigen magnetischen Kodierer mit mehrpoliger Magnetisierung, der fest mit der drehenden Welle verbunden ist und konzentrisch dazu ist, und einen Aufnehmer an mindestens zwei unterschiedlichen nach dem Hall-Effekt oder nach dem Prinzip der Magnetoresistenz arbeitenden Sensorelementen gebildet ist, die mit einem feststehenden Rahmen verbunden sind. Die Besonderheit der Erfindung betrifft insbesondere neue Konzepte multipolarer Kodierer, die es ermöglichen, die Endmontage der Meßvorrichtungen zu vereinfachen und einen Aufnehmer der Einheitsbauart zu verwenden, der Kodierern mit unterschiedlichen Magnetisierungseigenschaften gegenüberliegt.
Es ist bekannt, die Geschwindigkeit oder die Position eines beweglichen Gegenstandes mit Hilfe eines Aufnehmers mit zwei Sensorelementen zu messen, die so angeordnet sind, daß sie einem mehrpoligen magnetischen Kodierer gegenüberliegen. Im allgemeinen wird die geometrische Anordnung der zwei Sensorelemente so eingestellt, daß sich ihre Zentren im alternierenden oder sinusförmigen Magnetfeld des Magneten in Quadratur befinden. Diese Bedingung wird erreicht, wenn der Abstand zwischen den Zentren der Fühlerelemente einer ungeraden Anzahl eines Viertels einer magnetischen Periode des Kodierers entspricht. Die elektrischen Signale, die von den Fühlerelementen ausgesandt werden, befinden sich somit in einer Phasenquadratur.
Es ist ebenfalls bekannt, die von den Sensorelementen ausgesandten Signale bei einer geometrisch nicht abgestimmten Vorrichtung durch eine geeignete elektronische Signalverarbeitung quadrieren zu können, falls sie sinusförmig sind.
Im Fall einer Messung einer Drehung besteht eine Anordnung darin, einen Kodierer in Form einer ringförmigen Scheibe, die auf einer ihrer Flächen magnetisiert ist, an einer drehenden Welle in konzentrischer und fest verbundener Weise zu montieren. Die magnetischen Übergänge, die zwischen den Sektoren mit Polarität Nord und den Sektoren mit Polarität Süd definiert sind, liegen im allgemeinen auf Speichen der Scheibe oder des ringförmigen Kodierers. Der mehrpolige Magnet ist daher aus einer Anzahl von 2m kreisförmigen Sektoren oder Polen mit Winkel π/m mit abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten gebildet, die m sektorielle Perioden mit einem Winkelwert von 2 π/m definieren.
Die geometrische Einstellung in Quadratur im Magnetfeld der Sensorelemente des Aufnehmers erfordert, daß die folgende dimensionale Gleichung erfüllt ist: d = 2R*sin[(2n + 1)*π/4m],in welcher d der Abstand, der die Mitten der Sensorelemente des Aufnehmers trennt, R der Leseradius des Kodierers, an dem die Sensorelemente angeordnet sind, und n eine ganze negative, positive Zahl oder Null ist, die es ermöglicht, die Quadraturzustände festzulegen.
Diese Gleichheit drückt aus, daß in einem gegebenen Zustand einer Quadratur, beispielsweise bei einem Viertel, Dreiviertel oder fünf Vierteln einer Periode und für eine Anzahl von Perioden m des gewählten magnetischen Kodierers eine eindeutige Beziehung zwischen dem Abstand d und dem Leseradius R besteht.
Das erste Problem, das aus dieser Anordnung resultiert, stammt daher, daß es bei jedem neuen Entwurf einer Vorrichtung zum Messen, bei der entweder die Anzahl der Perioden des Kodierers oder die Position des Aufnehmers auf dem Leseradius R verändert wird, notwendig ist, einen neuen Aufnehmer mit zwei Sensorelementen zu schaffen, die in angemessener Weise voneinander beabstandet sind, um den Quadraturzustand sicherzustellen, was die Herstellungskosten erhöht. Die geeigneten Herstellungstechniken sind vorzugsweise jene, bei welchen Verfahren durch Übertragungen von Sensorelementen als diskrete Komponenten auf einen Träger verwendet werden, deren Positionierungspräzisionen unzureichend sind und die es nicht zulassen, sich der Notwendigkeit einer Feineinstellung jeder hergestellten Meßvorrichtung zu entledigen.
Ein weiteres Problem, das aus dieser Anordnung folgt, kommt daher, daß die Funktion des Rahmens, der als Träger des Aufnehmers dient, im allgemeinen durch Teile mit einer geringen Fertigungspräzision gewährleistet wird, was eine Positionsungenauigkeit des Aufnehmers auf den Leseradius des Kodierers und somit eine Ungenauigkeit des Quadraturzustands der Signale mit sich bringt, wenn eine Einstellung der jeweiligen Vorrichtung zum Messen nur bei der Endmontage realisiert wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden, indem eine neue Vorrichtung zum Messen der Drehgeschwindigkeit und der Position vorgeschlagen wird, die einerseits einen Aufnehmer, der zwei nach dem Hall-Effekt oder nach dem Prinzip der Magnetoresistenz arbeitende Sensorelemente mit einem präzisen vorbestimmten Abstand aufweist und der mit einem festen Rahmen verbunden ist, und andererseits einen mehrpoligen Kodierer aufweist, der fest mit dem drehenden Teil verbunden ist und auf der Drehachse zentriert ist, wobei sie so hergestellt ist, daß die Sensorelemente des Aufnehmers immer denselben relativen Phasenversatz im Magnetfeld des Kodierers aufweisen, wenn der Aufnehmer längs einer Achse verstellt wird, die durch die Zentren der Sensorelemente verläuft.
Dazu ist der Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Position und der Geschwindigkeit einer drehenden Welle, die durch einen feststehenden Aufnehmer gebildet ist, der mindestens zwei Sensorelemente trägt, die sinusförmige Signale mit Phasenversatz Γ abgeben und wobei der Aufnehmer mit einem konstanten Spalt bezüglich der magnetisierten Fläche eines ringförmigen, mehrpoligen Kodierers montiert ist, der auf der Welle zentriert und mit dieser drehfest ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse δ_c des Aufnehmers die Zentren der zwei Sensorelemente trägt und in einem Abstand R₀ von der Drehachse δ_R des magnetischen Kodierers gelegen ist, und daß der Kodierer auf seiner magnetisierten Seite 2m magnetische Übergänge zwischen Polen entgegengesetzter Polaritäten Nord und Süd trägt, die durch sukzessives Verdrehen um den Winkel π/m um das Zentrum des Kodierers ausgehend von einem ersten Übergang in Spiralform erhalten werden, dessen Kurvenverlauf in Polarkoordinaten (μ, θ) durch das eine oder das andere Gleichungssystem definiert ist:
wobei der Kurvenverlauf der (2m – 1) weiteren spiraligen Übergänge durch sukzessives Verdrehen um den Winkel π/m dieses ersten Überganges um das Zentrum des Kodierers erhalten wird, wobei in den Gleichungen
Ω der Drehwinkel des Kodierers um sein Zentrum ist,
μ das Modul der Spirale, ausgehend von der Mitte des Kodierers gemessen, ist,
θ das Argument der Spirale, ist, deren Ursprung die Achse Oz ist, welche den Zwischenachsabstand R₀ überbrückt, und
a ein Exzentrizitäts-Parameter der Spirale ist, der durch die Beziehung definiert ist: a = d*m*1/Γwobei Γ den Phasenversatzwinkel zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Sensorelemente des Aufnehmers,
d den Abstand zwischen den Mitten der Sensorelemente des Aufnehmers und
m die Anzahl der magnetischen Perioden des Kodierers darstellt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Bedingungen für eine Verwendung eines derartigen Aufnehmers, welcher Kodierern mit unterschiedlichen Abmessungen oder solchen, die eine unterschiedliche Zahl von Perioden aufweisen, gegenüberliegt. Dieser Universalcharakter ermöglicht dem Hersteller, den Aufnehmer mit bekannten Technologien der Mikroelektronik als integrierte Schaltung zu realisieren, die im Hinblick auf eine Miniaturisierung ggf. dazu führen können, die Sensorelemente auf eine Größe zu verkleinern, die unterhalb derjenigen liegt, welche der Anordnung des Aufnehmers im Magnetfeld des Kodierers in Quadratur entspricht, wobei dann die von den Sensorelementen durch einfache bekannte elektronische Mittel ausgegebenen Signale orthogonalisiert werden, der Abstand bei der exakten Quadratur einen konstanten Wert aufweist und die elektronische Korrektur für alle unter den Bedingungen der Erfindung hergestellten und verwendeten Kodierer konstant bleibt.
Die Erfindung betrifft auch mehrere Realisierungsvarianten kreisförmiger oder ringförmiger mehrpoliger Kodierer, bei welchen die Länge der magnetischen Periode gemessen längs einer vorher definierten Achse, unabhängig von der Zahl der Perioden der magnetischen Unterteilung über den Umfang des Kodierers und von den Abmessungen des Kodierers konstant ist.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der Beschreibung mehrerer Realisierungsbeispiele einer Vorrichtung zum Messen gemäß der Erfindung, die durch die folgenden Figuren veranschaulicht sind, wobei:
1 eine Vorrichtung zum Messen ist, die einen Aufnehmer und einen magnetischen Kodierer gemäß dem Stand der Technik aufweist;
2 eine Vorrichtung zum Messen der Position und der Geschwindigkeit gemäß der Erfindung ist;
3a und 3b zwei Beispiele von Kurvenverläufen eines magnetischen Übergangs eines Kodierers gemäß der Erfindung sind;
4 bis 9 verschiedene Realisierungsarten eines magnetischen Kodierers gemäß der Erfindung sind;
10 und 11 zwei vereinfachte Realisierungsarten eines magnetischen Kodierers gemäß der Erfindung sind.
Die in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehenen Elemente erfüllen in Anbetracht derselben Ergebnisse dieselben Funktionen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen, die einen kreisförmigen Kodierer mit Ringform 1 gemäß dem Stand der Technik aufweist, der m magnetische Perioden Nord-Süd aufweist, die konzentrisch mit einer nicht dargestellten drehenden Welle fest verbunden sind, der einem Aufnehmer 2 gegenüberliegt, der zwei Sensorelemente 21 und 22 aufweist, deren Zentren um einen Wert d beabstandet sind.
Die 2m magnetischen Übergänge 3 zwischen den Polen Nord und Süd, die auf den Speichen des Kodierers liegen, bestimmen 2m ringförmige Sektoren mit einem Winkel π/m. Die zwei Sensoreleemente des Aufnehmers 21 und 22, die sich beide auf einem selben Kreis C_L eines Leseradius R befinden, liegen in geometrischer Quadratur im Magnetfeld des Kodierers, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist: d = 2R *sin[(2n + 1)*π/4m],wobei n eine ganze negative oder positive Zahl oder Null ist.
Damit kann für einen Kodierer, der 2m magnetische Pole aufweist, der Abstand d höchstens m unterschiedliche Werte für einen gegebenen Leseradius R annehmen.
Über diese Werte hinaus bringt jede Abweichung im Verhältnis zu den Werten von d und R, die durch den Entwickler gemäß dieser Gleichung festgelegt sind, Quadraturabweichungen mit sich und benötigt somit ein Einstellen dieser nach Montage der Vorrichtung. Darüberhinaus hat die Konzeption einer neuen Vorrichtung, die einen Kodierer mit einer unterschiedlichen Anzahl magnetischer Pole aufweist, im allgemeinen die Folge, auch einen neuen Aufnehmer bauen zu müssen, der einen geeigneten Abstand d aufweist.
Wenn die zwei Sensorelemente auf verschiedene Leseradien eingestellt sind, sind die zu ziehenden Schlüsse dieselben.
2 zeigt eine Vorrichtung zum Messen gemäß der Erfindung, die einen Aufnehmer 5 aufweist, der beispielsweise mit Mitteln der Mikroelektronik als integrierte Schaltung realisiert ist, der zwei Sensorelemente 51 und 52 für ein Magnetfeld aufweist, deren Abstand d zwischen ihren Zentren auf einen einheitlichen und konstanten Wert festgelegt ist, und bei welchen die Position der Achse, die diese Zentren verbindet, bekannt ist. Sie weist darüberhinaus einen magnetischen Kodierer 4 auf, der auf einer nicht dargestellten drehbaren Welle zentriert und mit dieser fest verbunden ist und eine Drehachse δ_R hat. Der Aufnehmer 5 ist in einer Ebene montiert, die parallel zur magnetisierten Fläche 6 des Kodierers 4 ist, damit die Sensorelemente 51 und 52 dem magnetischen Muster des Kodierers bei einem Spaltabstand e gegenüberliegen. Die Achse δ_C der Zentren der Sensorelemente, die in dieser Ebene P liegen, befindet sich in einer Entfernung R₀ von der Drehachse δ_R der Vorrichtung. Eine prismatische Führung 7, die zwischen einem Aufnehmerträger 8 und einem festen Rahmen 9 angeordnet ist, ermöglicht es, diese Montageebene des Aufnehmers zu realisieren und den Abstand R₀, der beim Entwurf der Vorrichtung gewählt wurde, beizubehalten. Die Achse δ_C ist die Achse, auf der das magnetische Muster des Kodierers 4 durch jedes Sensorelement 51 und 52 gelesen wird. Der Abstand d zwischen den Zentren der zwei Sensorelemente wird so gewählt, daß er mit der Realisierungsform des Aufnehmers kompatibel ist. Er weist einen Abschnitt mit der Abmessung eines Pols des Kodierers auf, der vorzugsweise gleich oder geringer als ein Viertel der Periode des Kodierermagnets gemessen längs der Achse der Zentren der Sensorelemente der montierten Vorrichtung ist. Es ist möglich, für den Abstand d Werte zu wählen, die größer als ein Viertel der Periode sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Achse δ_C ist die Achse, auf der das magnetische Muster des Kodierers 4 durch jedes Sensorelement 51 und 52 gelesen wird. Erfindungsgemäß wird bei einem gewählten Abstand d, unter der Bedingung, daß die Sensorelemente 51 und 52 beide gegenüberliegend zum magnetischen Muster des Kodierers 4 bleiben, der Zustand einer Quadratur oder ein Zustand eines Phasenversatzes mit konstantem Wert unabhängig von der Position des Aufnehmerträgers 8 erhalten, die sich auf der Achse δ_C verschiebt.
Der ringförmige Kodierer 4, welcher aus einem dem Fachmann für Permanentmagnete bekannten Material gebildet ist, wird auf einer seiner Flächen 6 gemäß einer Abfolge von magnetischen Mustern Nord und Süd bei einem Durchlauf in einer Drehung magnetisiert, die m magnetische Perioden bilden. Gemäß einem grundlegenden Merkmal der Erfindung ist einer der magnetischen Übergänge, der zwei Pole mit entgegengesetzter Polarität trennt, in Polarkoordinaten (μ, θ) durch eines der beiden Gleichungssysteme dargestellt:
Die Gesamtheit der magnetischen Übergänge des Kodierers ist durch 2m aufeinanderfolgende Drehungen um einen Winkel π/m vom ersten magnetischen Übergang im Verhältnis zum Zentrum des Kodierers definiert, was 2m Übergänge oder m magnetische Perioden ergibt.
Diese zwei Gleichungssysteme ermöglichen es, zwei Familien von Spiralen zu definieren, bei welchen:

– R₀ ein Konstruktionsparameter der Vorrichtung ist, so wie er zuvor definiert wurde,
– Ω ein Umlaufdrehwinkel des Kodierers gemessen in seinem Zentrum ist,
– a eine Konstante ist, die in Abhängigkeit von dem Abstand d der Zentren der Sensorelemente des Aufnehmers und von der Anzahl der für den Kodierer gewählten magnetischen Perioden gewählt ist.

R₀, a und Ω ermöglichen es für jeden Wert von Ω, die Position des Übergangs ausgedrückt in Polarkoordinaten im Verhältnis zum Zentrum des Kodierers durch sein Modul μ und seine Ursprungsphase θ, die mit dem Ursprung von Ω übereinstimmt, zu definieren.
Die Erfindung sowie ihre zahlreichen Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden.
3a zeigt den erfindungsgemäßen Kurvenverlauf eines magnetischen Überganges 10 zwischen zwei Polen Nord und Süd auf einem Kodierer 4 mit Zentrum 0. Die Achse δ_C, die sich bei einem Abstand R₀ vom Zentrum 0 befindet, schneidet die Achse Oz, auf welcher der Abstand R₀ zum Punkt X' gemessen wird. Der Punkt X' der Achse Oz ist der Ursprung des magnetischen Übergangs 10 in Form einer Spirale, der sich bis zur äußeren Grenze des Kodierers erstreckt.
Ein Punkt des Übergangs 10 ist durch seine Polarkoordinaten (μ, θ) definiert, welche einerseits durch das Modul μ und andererseits durch den Winkel θ des Ursprungs 0z der Phase gebildet sind, welche durch die folgenden Gleichungen definiert sind:
wobei die Größe aΩ auf der Achse δ_C ausgehend vom Ursprung X' aufgetragen wird, a eine Konstante ist, die in Abhängigkeit von dem Abstand d zwischen den Sensorzentren des Aufnehmers und in Abhängigkeit von der Anzahl der magnetischen Perioden des Kodierers berechnet ist, Ω der Drehwinkel in Vorwärtsrichtung um das Zentrum O des Kodierers 4 ist, der ausgehend vom Ordinatenpunkt aΩ auf der Achse δ_C den entsprechenden Punkt des Übergangs 10 phasenversetzt um den Winkel θ im Verhältnis zum Ursprung erzeugt.
3b zeigt den Kurvenverlauf gemäß der Erfindung eines magnetischen Übergangs 12 zwischen zwei Polen Nord und Süd auf einem Kodierer 4 gemäß den folgenden Gleichungen in Polarkoordinaten (μ, θ):
mit einer Drehung in umgekehrter Richtung um einen Winkel –Ω vom Ordinatenpunkt aΩ, der in der Achse δ_C enthalten ist, um den entsprechen Punkt des Übergangs 12 zu erzeugen.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines magnetischen Kodierers gemäß der Erfindung, für welchen der Kurvenverlauf aller Übergänge zwischen den magnetischen Polen Nord und Süd durch Drehen des Übergangs 10 um das Zentrum O des Kodierers, so wie es in 3 beschrieben wurde, erhalten wird. Jeder Übergang leitet sich vom unmittelbar aufeinanderfolgenden durch einen Drehwinkel π/m ab.
Die Folge dieser Übergänge 10 definiert eine Folge von 2m Polen Nord und Süd des Kodierermagneten 4. Die Achse δ_C des Ursprungs X' befindet sich auf der Achse Oz bei einem Abstand R_O vom Zentrum O des Kodierers 4, schneidet die Folge von Übergängen gemäß einer konstanten Teilung πa/m, während die umfangsmäßige Teilung konstruktionsgemäß gleich π/m ist.
Der Aufnehmer 5 ist so angeordnet, daß die Zentren der Sensorelemente 51 und 52, die um d voneinander beabstandet sind, sich auf der Achse δ_C befinden.
Unabhängig von der Position des Aufnehmers 5 auf der Achse δ_C bleiben die von den Sensorelementen 51 und 52 ausgegebenen Signale im Phasenversatz konstant, dessen Wert ausschließlich von dem relativen Wert des Abstandes d abhängig ist, der als ein Abstand gewählt ist, der die Zentren der Sensorelemente des Aufnehmers beim auf der Achse δ_C gemessenen Wert der Teilung πa/m des Kodierers trennt. Dieser Phasenversatz der von den Elementen 51 und 52 ausgegebenen Signale bleibt auch konstant, wenn der Kodierer sich um seine Achse O dreht.
Beispielhaft und nicht beschränkend ist es möglich, einen Abstand d zu wählen, der es zuläßt, Signale, die von den Sensorelementen 51 und 52 ausgegeben werden, in Phasenquadratur gemäß der Gleichung zu erhalten:
Es kann ebenfalls beispielhaft und nicht beschränkend ein geringerer Wert für d gewählt werden, der einem Phasenversatz entspricht, der unter dem der Phasenquadratur liegt, um eine Miniaturisierung des Aufnehmers zu ermöglichen, wobei gleichzeitig der Vorteil eines konstanten Phasenversatzes unabhängig von der Position des Aufnehmers auf der Achse δ_C bei einer oder ohne Drehung des Kodierers erhalten bleibt.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines magnetischen Kodierers gemäß der Erfindung bei der der Kurvenverlauf aller magnetischen Übergänge zwischen den Polen durch Drehen des Übergangs 12 um das Zentrum O des Kodierers erhalten wird, wie es in 3b beschrieben ist. Jeder Übergang leitet sich vom benachbarten Übergang durch eine Drehung um einen Winkel π/m ab. Die Folge dieser Übergänge definiert eine Folge von m Perioden oder 2m Polen Nord oder Süd des Kodierermagneten. Die Achse δ_C des Ursprungs X' befindet sich auf der Achse Oz bei einem Abstand R_o vom Zentrum O des Kodierers 4, schneidet die Folge von Übergängen gemäß einer konstanten Teilung von πa/m, während die umfangsmäßige Teilung konstruktionsgemäß gleich π/m ist.
Die Merkmale, die für einen Aufnehmer 5 erhalten werden, bei dem sich die Zentren der Sensorelemente auf der Achse δ_C befinden, sind identisch mit jenen, die in 4 beschrieben sind.
6 zeigt, daß es ausgehend von dem Kurvenverlauf von 4 möglich ist, eine unendliche Zahl von ringförmigen Kodierern mit verschiedenen Durchmessern und/oder Breiten zu realisieren, die die zuvor beschriebenen Vorteile aufweisen. Die zwei zu realisierenden Bedingungen sind vor allem, daß der innere Durchmesser Φ_i des gewählten Kodierers nicht kleiner als das Doppelte des Abstandes R_O zwischen den zwei Achsen δ_C und δ_R ist und daß sich andererseits die Zentren der beiden Sensorelemente des Aufnehmers auf der Achse δ_C gegenüberliegend zum Kodierer befinden. Bezüglich des äußeren Durchmessers gibt es keine Beschrän kung, da die spiralförmigen Übergänge über den bei der vorliegenden Figur notwendigerweise begrenzten Kurvenverlauf verlängert sein können, ohne die Vorteile der Erfindung aufzugeben.
Es ist ebenso möglich, ausgehend von der 5 eine unendliche Anzahl von ringförmigen Kodierern zu realisieren, die der Erfindung entsprechen.
7 zeigt ein weiteres nicht beschränkendes Beispiel des multipolaren Kodierers 4, dessen magnetische spiralförmige Übergänge gemäß einer der vorhergehenden Gleichungen μ und θ definiert sind, wobei der Abstand R_O Null beträgt. Die Achse δ_C, auf der sich die Zentren der Sensorelemente des Aufnehmers befinden, verläuft durch das Zentrum O des Kodierers und schneidet die Folge der Übergänge gemäß einer konstanten Teilung von πa/m, während die umfangsmäßige Teilung konstruktionsgemäß gleich π/m ist.
Die zwei Sensorelemente 51 und 52, die vom Aufnehmer 5 einen Abstand haben, funktionieren somit unter derselben Bedingung eines Phasenversatzes der Signale, wie bei den vorhergehenden Beispielen.
8 stellt ein weiteres nicht beschränkendes Realisierungsbeispiel eines multipolaren ringförmigen Kodierers 4 dar, dessen magnetische Übergänge durch die Polarkoordinaten zwischen den Polen Nord und Süd erzeugt wurden:
und durch aufeinander folgende Drehungen um Winkel π/m', wobei d eine Konstante der Spirale ist, die von a verschieden ist und m' die Anzahl von Perioden ist, die von m verschieden ist, wobei sie durch die Gleichung verbunden sind: b/m' = a/m.
Die Achse δ_C des Ursprungs X', die sich auf der Achse Oz in einer Entfernung R_O vom Zentrum des Kodierers 4 befindet, die durch die Zentren der Sensorelemente 51 und 52 und des Aufnehmers 5 verläuft, schneidet die Folge von Übergängen gemäß einer konstanten Teilung von πb/m' = πa/m, während die umfangsmäßige Teilung konstruktionsgemäß gleich π/m' ist.
Der Aufnehmer 5, der aus zwei Sensorelementen 51 und 52 gebildet ist, deren Zentren um d voneinander entfernt sind, die auf der Achse δ_C liegen, funktioniert somit unter derselben Bedingung eines Phasenversatzes der Signale wie bei den vorhergehenden Beispielen, während die Anzahl von Übergängen oder die Anzahl von magnetischen Perioden des Kodierers verschieden sind.
Die Schlußfolgerungen sind ausgehend von einem der Gleichungssysteme μ, θ unabhängig davon, mit welchem Kodierer sie erhalten wurden, identisch.
Die nicht beschränkenden in 4, 5, 6, 7 und 8 dargestellten Beispiele zeigen ein wesentliches Merkmal der Erfindung, gemäß dem ein einziger Aufnehmer aus zwei Sensorelementen gebildet ist, deren Zentren um einen Wert d entfernt sind, womit somit ermöglicht wird, irgendeine Aufnehmeranordnung zu entwerfen, solange sie zu ringförmigen Kodierern in Beziehung steht, deren magnetisierte Fläche eine Wechselfolge von 2m Polen Nord und Süd gemäß einem Verlauf längs des Umfangs, beispielsweise mit m magnetischen Perioden, und unter der Bedingung aufweist, daß die Übergänge zwischen den Polen in Polarkoordinaten der einen oder der anderen der folgenden Gleichungen genügen:
und daß jeder der Übergänge des Kodierers von dem unmittelbar darauffolgenden Übergang durch eine Drehung um den Winkel π/m im Verhältnis zum Zentrum des Kodierers abgeleitet ist.
Somit trägt die Halbachse δ_C des Ursprungs X', welche an ihrem Schnittpunkt in Gesichtsprojektion der Achse Oz entspricht, die den Ursprung der Phasen bildet, die sich in einer Entfernung R_O vom Zentrum des Kodierers befindet, die Zentren der zwei Sensorelemente des Aufnehmers in irgendeiner Position gegenüberliegend zum Kodierer dessen innerer Durchmesser zumindest gleich 2 R_O ist. Der Wert von R_O, der der Wahl des Konstrukteurs überlassen ist, kann jeden Wert ausgehend vom Wert Null annehmen.
Der Spiralenparameter a ist für jede neue Konzeption des Kodierers im Verhältnis zur Entfernung d der Zentren der Sensorelemente des Aufnehmer und zur Anzahl von magnetischen Perioden m, die durch den Kodierer getragen werden, durch die folgende Gleichung definiert:
damit die zwei Ausgangssignale der Sensorelemente des Aufnehmers in Phasenquadratur vorliegen.
9 zeigt eine weitere Konzeption der Vorrichtung zum Messen, bei welcher der Phasenversatz der Ausgangssignale der Sensorelemente 51 und 52 des Aufnehmers 5 von der Quadratur verschieden ist. Diese Wahl kann beispielsweise getroffen werden, um eine Vereinfachung der Realisierung des Kodierers 4 oder eine stärkere Miniaturisierung des Aufnehmers 5 zu ermöglichen, indem die Entfernung d der Zentren der Sensorelemente 51 und 52 verringert wird. Der Wert des gewählten Phasenversatzes kann bei allen Konzeptionen von Vorrichtungen von Geschwindigkeitsaufnehmern vereinheitlicht sein, und es ist also möglich, ebenfalls eine vereinheitlichte Behandlung der Signale des Aufnehmers 5 vorzusehen und somit den Vorteil der Existenz eines einzigen Aufnehmers 5 für alle Entwürfe von Geschwindigkeits- oder Positionsaufnehmervorrichtngen beizubehalten.
Bei diesen Annahmen ist die Konstante a der Spirale, die einen magnetischen Übergang zwischen zwei Polen Nord und Süd gemäß dem einen oder dem anderen der polaren Gleichungssysteme darstellt, in Abhängigkeit von der Entfernung d zwischen den Zentren der Sensorelemente 51 und 52 des Aufnehmers 5 und von der Anzahl m der Perioden des Kodierers 4 gegeben durch die Gleichung: a = d*m*1/Γ,wobei Γ der Winkel des Phasenversatzes der zwei vom Aufnehmer ausgegebenen Signale ausgedrückt in Radiant ist.
Für spezielle Anwendungen der Geschwindigkeit- oder Positionsaufnehmervorrichtung kann eine Ungenauigkeit beim Quadratur- oder Phasenversatzzustand der von den Aufnehmern ausgegebenen Signalen zugelassen werden, der Vereinfachungen einer Realisierung der magnetischen Übergänge Nord-Süd der Kodierer zuläßt.
Die 10 zeigt für einen ringförmigen Kodierer mit geringer Breite eine Möglichkeit einer Vereinfachung, die darin besteht, den magnetischen Übergang zwischen zwei Polen Nord und Süd in Spiralbogenform durch einen magnetischen Übergang in Kreisbogenform 14 mit Radius r zu ersetzen, der um das Krümmungszentrum O' des Punktes A der Spirale 15 zentriert ist, der bei dem halben Durchmesser Φ_m des Kodierers liegt. Die Berechnungsmittel dieses Krümmungsradius und der Position des Krümmungszentrums sind bekannt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Kreisbogenübergang 14 zu verwenden, unter Ersetzen des spiralförmigen Übergangs 15 an seinem Abschnitt, der zwischen dem inneren Umfang C; und dem äußeren Umfang C_e des Kodierers enthalten ist, wobei das Ersetzen darin besteht, durch die Methode einer Minimierung des Mittelwertes der Quadrate der Abstände der zwei Kuvenverläufe den Kreisbogen zu bestimmen, der zur Spiralachse am nächsten liegt.
11 zeigt eine weitere Möglichkeit einer vereinfachten Realisierung eines ringförmigen Kodierers 16 mit geringer Breite, die darin besteht, den magnetischen Übergang zwischen zwei Polen Nord und Süd mit Spiralbogen 19 durch einen linearen magnetischen Übergang 17 zu ersetzen. Die Gerade 18, die die Position des magnetischen Übergangs 17 definiert, kann entweder eine Tangente an die Spirale mit halben Radius des Kodierers 16 sein oder eine Sekante, die durch die zwei Punkte P₁ und P₂ eines Schnittpunkts der Spirale mit dem inneren Umfang C_i bzw. dem äußeren Umfang C_e des Kodiererringes 16 verläuft. Die Gerade 18 kann auch die Sekante des Spiralbogens sein, deren Position den Mittelwert der quadratischen Abweichungen der Entfernung zwischen der Spirale und der Gerade über die Breite des ringförmigen Magnets minimiert.
Schließlich stellen die Symmetriepositionen im Verhältnis zum Zentrum des Kodierers oder zu irgendeiner der Achsen, die durch dieses Zentrum hindurchgehen, für irgendeinen der zuvor beschriebenen Fälle einen Teil der vorliegenden Erfindung dar.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Position und der Geschwindigkeit einer drehenden Welle mit einem feststehenden Aufnehmer, der mindestens zwei nach dem Hall-Effekt oder nach dem Prinzip der Magnetoresistenz arbeitende Sensorelemente hat, welche sinusförmige Signale mit Phasenversatz Γ abgeben, wobei der Aufnehmer mit konstantem Spalt bezüglich der magnetisierten Seite eines ringförmigen, mehrpoligen Kodierers montiert ist, der auf der Welle zentriert und mit dieser drehfest ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Achse (δ_c) des Aufnehmers (5), welche die Zentren der beiden Sensorelemente (51, 52) enthält, in einem Abstand (R₀) von der Drehachse (δ_R) des magnetischen Kodierers (4) gelegen ist und daß der Kodierer (4) auf seiner magnetisierten Seite (6) 2m magnetische Übergänge zwischen Polen entgegengesetzter Polarität Nord und Süd in Gestalt von Spiralen trägt, wobei der Kurvenverlauf des ersten Übergangs in Polarkoordinaten (μ, θ) durch die Gleichungen:
definiert ist und der Kurvenverlauf der übrigen (2m – 1) spiraligen Übergänge durch sukzessives Verdrehen um den Winkel π/m dieses ersten Überganges um das Zentrum (O) des Kodierers erhalten wird, wobei in den Gleichungen Ω der Drehwinkel des Kodierers um sein Zentrum (O), μ der Modul der Spirale, gemessen ausgehend von der Mitte (O) des Kodierers (4), θ das Argument der Spirale, gemessen ausgehend vom Ursprung in Richtung der Achse (Oz) überbrückend den Zwischenachsabstand (R₀) und a ein Exzentrizitäts-Parameter der Spirale, definiert durch die Beziehung: a = d*m*1/Γ ist, worin Γ den Phasenversatzwinkel zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Sensorelemente (51, 52) des Aufnehmers (5), d den Abstand zwischen den Mitten der Sensorelemente des Aufnehmers und m die Anzahl der magnetischen Perioden des Kodierers bezeichnen.
Vorrichtung zum Messen der Position und der Geschwindigkeit einer drehenden Welle mit einem feststehenden Aufnehmer, der mindestens zwei nach dem Hall-Effekt oder nach dem Prinzip der Magnetoresistenz arbeitende Sensorelemente hat, welche sinusförmige Signale mit Phasenversatz Γ abgeben, wobei der Aufnehmer mit konstantem Spalt bezüglich der magnetisierten Seite eines ringförmigen, mehrpoligen Kodierers montiert ist, der auf der Welle zentriert und mit dieser drehfest ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (δ_c) des Aufnehmers (5), welche die Zentren der beiden Sensorelemente (51, 52) enthält, in einem Abstand (R₀) von der Drehachse (δ_R) des magnetischen Kodierers (4) gelegen ist und daß der Kodierer (4) auf seiner magnetisierten Seite (6) 2m magnetische Übergänge zwischen Polen entgegengesetzter Polarität Nord und Süd in Gestalt von Spiralen trägt, wobei der Kurvenverlauf des ersten Übergangs in Polarkoordinaten (μ, θ) durch die Gleichungen:
definiert ist und der Kurvenverlauf der übrigen (2m – 1) spiraligen Übergänge durch sukzessives Verdrehen um den Winkel π/m dieses ersten Überganges um das Zentrum (O) des Kodierers definiert ist, wobei in den Gleichungen Ω der Drehwinkel des Kodierers um sein Zentrum (O), μ der Modul der Spirale, gemessen ausgehend von dem Zentrum (O) des Kodierers (4), θ das Argument der Spirale, gemessen ausgehend von dem Zentrum (O), dessen Ursprung die Achse (Oz) ist, welche den Zwischenachsabstand (R₀) überbrückt, und a ein Exzentrizitäts-Parameter der Spirale definiert durch die Beziehung: a = d*m*1/Γ ist, worin Γ den Phasenversatzwinkel zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Sensorelemente (51, 52) des Aufnehmers (5), d den Abstand zwischen den Zentren der Sensorelemente des Aufnehmers und m die Anzahl der magnetischen Perioden des Kodierers bezeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (R₀) zwischen der Drehachse (δ_R) des Kodierers (4) und der Achse (δ_c) des Aufnehmers (5) Null ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenversatzwinkel (Γ) zwischen den beiden von den Sensorelementen (51) und (52) des Aufnehmers (5) abgegebenen Signalen gleich einem ungeraden Vielfachen von π/2 ist, das die Sensorelemente des Aufnehmers in einer Quadrantenlage im Magnetfeld des Kodierers lokalisiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenversatzwinkel (Γ) zwischen den beiden von den Sensorelementen (51) und (52) des Aufnehmers (59 abgegebenen Signalen einem Wert kleiner als π/2 entsprechend einem kleinen Wert des Abstandes (d) zwischen den Sensorelementen entspricht und daß der Aufnehmer ein einziges Mittel für die elektronische Orthogonalisierung der von den Sensorelementen abgegebenen Signale aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (Φ_i) des Ringkodierers (4) größer als der doppelte Zwischenachsabstand (R₀) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Ringkodierer getragenen magnetischen Übergänge längs Kreisbögen (14) verlaufen, deren Radien und Mittelpunktslagen dem Krümmungsradius (r) und den Mittelpunktslagen der Krümmung (O') an den Punkten der Spiralen (15) entsprechen, die auf dem mittleren Durchmesser (Φ_m) des magnetischen Ringkodierers (4) liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Ringkodierer getragenen magnetischen Übergänge Kreisbögen (4) sind, deren Kurvenverläufe durch ein Verfahren erhalten sind, welches das Mittel der Quadrate der Abstände zwischen dem Kreisbogenverlauf und dem Spiralbogenverlauf (15) jedes Überganges minimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ringkodierern getragenen magnetischen Übergänge (17) linear sind, deren Verläufe den Tangenten (18) an die Punkte der Spiralen entsprechen, welche auf dem mittleren Durchmesser (Φ_m) des magnetischen Ringkodierers liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ringkodierern getragenen magnetischen Übergänge (17) linear sind, deren Kurvenverläufe durch ein Verfahren erhalten sind, welches das Mittel der Quadrate der Abstände zwischen dem spiralbogenförmigem Verlauf (19) und der Geraden für jeden Übergang minimiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den magnetischen Ringkodierern getragenen magnetischen Übergänge lineare Sekanten der Spiralen sind, wobei jeder lineare Übergang durch die zwei Extrempunkte (P₁ und P₂) jedes spiraligen Überganges auf der Oberfläche des Ringkodierers hindurchgeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Aufnehmers, welche die Zentren der Sensorelemente enthält, in bekannter Position in der Vorrichtung gehalten ist, und zwar unabhängig von dem Haltemittel zwischen dem Aufnehmer und dem festen Unterbau.