CN103512543B - 用于旋转轴的转角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于转动轴的转角传感器，尤其用于风力发电设备的转子轴，该转角传感器具有沿轴外圆周布置的量具，至少一个设计为传感器的探测头和测量值处理单元，测量值处理单元处理已检测的轴的位置数据和/或速度数据的测量值，其中探测头与量具相间隔地布置，并且传感器信号能够在轴转动时探测量具的表面。所述量具包括具有链元件的滚子链，滚子链的内滚子或内销沿轴定向，其中链力传递地和形状配合地固定在轴外圆周上。本发明还涉及一种借助转角传感器确定和测量转动轴的转子转速和转子位置的方法，其中为了确定和测量转子转速或转子位置建立(映射关系)链的至少一个参照物(映射)，并且借助当前的测量值校准至少一个参照物(扫描)。

Description

用于旋转轴的转角传感器

技术领域

本发明涉及一种用于旋转轴的转角传感器，以及一种借助转角传感器确定和测量旋转轴的转子转速或位置的方法。本发明还涉及在风力发电设备中转角传感器的多种应用。

背景技术

转角传感器是用于旋转轴的测量***，并且例如用于风力发电设备的转子中。其用于确定这种设备的转子位置和/或转速，其中风力发电设备的转子包括具有垂直竖立的转子叶片的转子轮毂和转子轴，该转子轴与发电机机械地相连以产生电流。

转角传感器具有安置在旋转轴上方的探测头并且借助安置在探测头中的(基于光学、电或磁性工作的)传感器装置检测或测量轴的位置。通过对测量值的评估根据已确定的传感器信号获得轴当前的位置值。通过时间测量能够根据位置测量结果确定当前转子转速。这样确定的位置和速度值被传送至设备控制器中，其从中产生用于风力发电设备的控制和/或调节信号。对于已确定的位置数据要求非常高的测量精度，因为测量误差会导致设备的错误的控制和调节值。

例如在DE 298 15 905 U1中公开了一种称为角度测量***的转角传感器装置。该已知装置具有在轴的外周上的圆盘形式的量具在轴的外圆周上安置一种作为量具的标准体，这种标准体根据探测原理满足通常的光电的、磁性的、电感的或电容的探测头。

Fa.Baumer集团公司的产品说明书“Baumer,Sensorama,Innovation andTechnology”01/2011版描述了一种称为“紧固带-旋转传感器”的装置，其公开了一种设计为紧固带(Spannband)的量具，其能够被探测头探测。具有磁性的紧固带借助例如是带子的紧固锁扣在轴上。两个集成在探测头内的传感器检测所述带的磁场并且在处理单元中产生测量信号，由该信号通过反正切函数(Arc-tang-Funtion)确定轴的位置值。这种探测可以不间断地越过紧固锁和量具的可能的断开处，而不会丢失信号或脉冲。这种已知的紧固带编码器能够尤其在较大的轴直径情况下被事后安装，例如通常安置在风力发电设备的转子轴上。

特别是对于在风力发电设备的转子轴上的使用，这种已知的转角传感器具有明显的缺点。其必须一方面非常抗振，并且必须在极端的环境影响下可靠地工作，例如其在海上离岸的使用中。但是作为补充，位置确定需要很高的测量精度，用以与已述的测量精度值相适配。在磁性量具中存在这样的危险，金属的外来物或较强的磁场会损坏尺寸标准带并且使测量值出错。

这种传统的转角传感器仅是在一定条件下能够满足这些要求，因为尤其在恶劣的风力驱动时从磁化的尺寸标准带中获取测量值必须非常耗费地进行，因此这种转角传感器非常昂贵。

此外，这种测量值的获取由于重新校准、同步性和测量值求解的不足而具有很大的误差成因。为了在海上区域控制风力发电设备，转角传感器的探测例如通常大约在10至12Bit。这对应于相对轴直径的大约0.1至0.2度的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于这样扩展设计一种尤其用于风力发电设备所述类型的转角传感器，使得其构成一种耐用、廉价并且同时非常精确的测量***。

所述技术问题通过一种用于转动轴的转角传感器解决，其包括：沿轴外圆周布置的量具，至少一个设计为传感器的探测头和测量值处理单元，其这样处理已检测的测量值，使得这些测量值能够评估并且能够被处理得到轴的位置数据和/或速度数据，其中探测头与量具相间隔地布置，并且传感器信号能够在轴转动时探测量具的表面，其中，量具包括具有链元件的滚子链，滚子链的内滚子或内销沿轴的轴向定向，其中，该链力传递地(例如摩擦配合地)和形状配合地固定在轴外圆周上。

按照本发明的具有设计为传感器的探测头的转角传感器使用具有链元件的滚子链作为量具，其内滚子或内销沿转动轴的轴向定向。在本发明范围中的“探测”指的是测量在链表面和传感器之间的距离。

滚子链是耐用的和可大量制造的产品，其尺寸和构造在国内和国际上是标准化的(例如DIN8187，DIN ISO 81889等等)。相应地其比特别耗费制造的量具要便宜得多。按照本发明的转角传感器可以简单地与各种轴外圆周相适配，其几乎没有机械磨损，并且对于在测量带或测量法兰上的量具，不需要耗费地制造的编码部分。专利发明人的试验测量已经证实，借助按照本发明的转角传感器确定的位置值和速度值具有相对转子外圆周的0.15度的测量精度。因此其可以满足用于风力发电设备的测量精度的要求。

链的内滚子或内销沿轴的轴向定向，并且径向上朝向设计为传感器的探测头，其中该链力传递(例如摩擦配合地)和形状配合地固定，以用于保护转子轴和防止在转子外圆周上振动。这种安置在外圆周上的总是相同的链元件可以保证简单地无磨损的测量值采集。测量值可以被控制器读取，并且可用于其他***的适用的总线***或通信***。在轴转动时，传感器检测其相对于具有内滚子或内销的链元件的距离，并且由此通过相应的测量值处理确定轴的位置和速度数据。作为量具的链元件已经具有转子表面的增量部分，其因此原理上能够由所有普通的传感器记录。其既可以是模拟的也可以是数字处理的传感器。这种检测的传感器信号可以被输入到相应的数字或模拟的测量值处理单元中，并且在那借助(后续会描述的)按照本发明的测量方法加工用于转动轴(尤其是风力发电设备的转子轴)的当前位置数据和角度数据。

对单个链元件的其它可能的距离(其可能对测量精度产生负面影响)可以有利地借助“映射关系”(Mapping)的方法来弥补。在该方法步骤中，建立量具(即链)的一种“映射”(Map)类型，以便能够将其用作用于轴的定位的参考物。该步骤包括记录和保存信号最小值和信号最大值，由信号的最小值和最大值确定链元件的偏移量(offset)和确定振幅。接着借助当前测量值校准至少一个参照物(“扫描”)(Scanning)。

由于链或单独的链元件的内滚子或内销的始终相同的间距明显有利的是，设有用于探测的测量***，提供实际间距。因此可以使用普通的具有模拟/数字输出的接近传感器，其能够检测整个链宽度。已述的发明人试验测量结果已经显示，具有相应的封闭设计的和相应的测量算法的模拟接近传感器可以满足所需的测量精度。由于链元件的构造形式可以借助内滚子或内销的规则顺序在探测时生成大约正弦形的模拟传感器信号，该信号以足够的测量精度描述内滚子和内销的被探测表面的距离。这种正弦形信号可以进而直接被加工而确定轴的位置或角度。

在本发明另一种有利的实施形式中推荐，使用至少两个具有固定预设间距的电感的模拟传感器，由此能够附加地提高测量精度。如果第一传感器起作用，则第二传感器作为冗余(Redundanz)之一，因此转角传感器直到下一次常规的保养日期时仍能保持功能性。当链闭合结构正好位于两个传感器之一的下方时，通过使用至少一个第二传感器也可以提供测量值。此外，两个或更多的传感器设计提供了这种可能，实施附加的传感器信号的可信度检查。若链闭合结构或链连接环节正好位于两个传感器之一的下方时，通过使用第二传感器也可以提供测量值。

为了轴的定位，在测量过程之前，需要在转角传感器的量具上精确地确定所谓的同步点或零点。第二传感器可以导致对该点更精确的定位。

不依赖于传感器的数量，可以有利地在测量处理单元的存储器中借助“映射关系”校准当前确定的测量值。在运行程序中借助算法进行传感器信号的测量值处理，该传感器信号在电感探测中实用地作为电压信号，所述算法可根据传感器信号确定转子轴的位置和速度。

为了能够处理传感器的数据，可以有利地使用传统的模拟/数字变流器(A/D变流器)，借助其可以将传感器的模拟测量值转换成数字信号，该信号随后被计算机输入到测量值处理单元中，在那能够被加工并且与早期保存的测量值作对比和评估。作为计算机和A/D变流器的备选这也可以借助微型控制器来实现。

为了保护轴和为了防滑地固持，用作量具的链必须借助可紧固的链连接环节被固定在轴外圆周上。为此，在链和轴表面之间安置防滑带作为轴防护、防滑结构和防震结构。所述带例如可以粘接在轴表面上。该带有利地具有橡胶弹性的属性和粗糙的表面。这种材料还要是耐气候因素的和具有较长的寿命。

两个链端在轴上的连接借助可紧固的链连接环节实现。连接环节的紧固区域应该尽可能的小，以便不会使得探测值出错。在此，要排除传统的链连接结构或链锁，因为链元件的相对轴外圆周的数量并非始终是偶数。这种紧固元件有利地包括两个沿轴向延伸的构造相同的元件，它们分别在一侧借助销与链端部相连。两个端部有利地能够借助螺栓紧固。这种链连接环节还有利地用作用于定位的同步点，因为这种环节能够被传感器与其它链环节相区分。

所述链需要在轴外圆周上具有一个或必要时多个引导装置，因此其不会侧向位移。为此推荐，引导装置在其探测面上具有凹槽，链可以在该凹槽内被引导，其中探测面具有与轴的曲率半径相适配的曲率，用于保证相对链尽可能小的距离。

在此有利地推荐，将具有至少一个传感器和测量值记录装置的探测头集成在至少一个引导装置中。至少一个传感器、探测头和引导装置之一由此都集成在唯一的壳体中。因此可以有利地保证对链最优的探测。所构成的壳体此外应该被尽可能如此耐用和如此小的设计，因此测量结果不会额外地被影响。

借助按照本发明的转角传感器确定和测量转动轴的转子转速以及位置的方法，有利地通过确定与测量相关的参数来实施。该过程在以下称为“配置”(Konfiguration)。在该测量过程中将会核查，A/D变流器或微型控制器是否与总线连接器正确地相连。若是这种情况，则自动地装载配置数据，其主要包括测量***的校准。这些数据包括在链紧固装置中同步缝隙的长度和链元件的长度。如果没有出现错误，则开始检索链的同步点。在上下文中已经指出，这种“搜索过程”不包括最终确定同步点。

在所有与测量相关的数据在程序的配置部分中被记录和计算后，则开始按照本发明的“映射关系”，其建立链的参照物。这借助第一传感器、接着借助第二传感器(如果有)进行。

在建立“映射”时，在经过同步点后记录和保存信号电压的每个最小值和每个最大值。传感器的输出电压取决于材料和传感器之间的距离。因此最大值在每两个相邻的链元件的内滚子或内销之间的中部产生，因为在该区域中传感器和链之间的距离是较大的。当链的每一个内滚子或内销被传感器探测时，在链元件的端部出现电压最小值，因为在此传感器和链之间的距离较小。

在同步点出现最大测量值。通过在轴的多次转动中探测链，则确定搜索和保存最大电压值。接着由所测的电压值形成平均值并且将该平均值用作同步电压(Sync-Spannung)。

通过最大值与最小值的差的一半可以得出链元件的偏移量(offset)。通过最大值与偏移量的差可以算出链元件的振幅，进而得到参照值(映射)。每个单独的链元件的振幅和偏移量可以被保存在特殊的数据结构或区域(Array)中，因此这种映射可以规律地被刷新。这阻止了测量误差，并且提高了测量***的精度，因为传感器的输出电压例如严重地依赖于温度。因此例如在确定的区间(例如在全部的100转之后)开始新的映射过程。基于最后一次旋转的数据有利地自动地和持久地刷新映射关系，从而始终可以计算位置。

“扫描”方法步骤包括首先在每次转动中精确地确定同步点。精确确定同步点是非常重要的。当该点以确定量移动时，则整体的测量也以相同的量移动。因此整个的测量结果会出错。为了确定同步点有利地建议全部四个可能的测量方法。

作为第一可行性方法，最大出现电压的上升沿或下降波面(Flanke)(包括最小安全性)作为同步点被触发。这种方法的缺点在于，同步电压可能由于温度改变而减小，因此同步点不会再被发现。此外，同步电压的波面可能由于测量误差或轴较大的制造公差在错误的位置被触发。

作为另一种可行性方法推荐，借助两个测量值的电压差确定同步点。但是因为轴的速度不是恒定的，因此这种差值的大小也会根据转动速度而改变。在转子轴较快地转动时，这种差值(Delta)会非常大，因为单独的测量值会相互差距较大。在较慢的转动中，这种差值非常小。这种缺点可以有利地避开，通过将始终相同的测量点相互对比(例如所有1/4链元件)。为此保存较早的测量值，并且通过当前的速度确定同步点，借助较晚的测量值形成差值。由位置数据确定的速度测量然而以精确的时间测量为前提。

作为第三种可行性方法推荐，借助积分确定同步点。在x，y坐标***中正弦曲线在整个周期(sin(x)从0到2π)上面积的积分的结果是0。这也适用于链元件的信号的积分。但是因为这种测量信号在x，y坐标***中沿正的Y方向偏移，由映射得出的偏移量必须被减去。当传感器经过链连接环节的或同步点的缝隙时，则链元件的积分不等于0。这种效果可以因此用作触发点。但是这种实施例仅在恒定转速中能可靠地发挥功能。在轴的速度改变或完全静止时需要在积分中考虑这种速度改变。

作为第四和优选的用于同步点检测的可行性方法推荐，将两个在以确定距离错开的传感器的测量值相加。通过相加新产生的、叠加的函数是周期性的。当其中一个传感器经过同步点时，出现明显的峰值，其大约是最大振幅的两倍。这种峰值的正波面可以可靠地用作触发点。在两个传感器中，两个传感器也会相继经过同步缝隙。因此会前后出现两个峰值。两个峰值可以用于计算同步点的位置。

在确定同步点后，可以通过参照物(映射)的校准借助当前的测量值确定轴的位置。这有利地首先通过所谓的“全局”(globale)然后通过“局部”(lokale)定位进行。

全局定位通过链元件的数量的记录乘以相对轴周长的链元件长度进行。轴周长和链元件长度是已知的。在轴转动时计数链元件的数量。软件可以借助链元件的数量计算传感器“粗略的”全局位置。但是这种全局的位置计算仍不能满足所需的测量精度，如其例如在风力发电设备中用于转角传感器所要求的精度。例如为了达到0.15度的测量精度，因此必须还要实施局部的定位。

局部定位根据该方程进行

其中：

X各个链元件的局部位置

Y传感器的测量值

A各个链元件的振幅

D各个链元件的偏移量

如果在上述方程中(Y-D)/A≥1，则数值≥+1或-1。

为了确定精确的轴位置，有利地使用附加的算法，其可以识别转子轴是否处于顺时针旋转和/或逆时针旋转，也就说，传感器正好位于正弦曲线的哪个部分中。

对于顺时针旋转，传感器信号(正弦曲线)可被划分为4个区域，其中检测，传感器是否正好在正的或负的半波中，并且检测斜率是正或负。所述区域通过至少一个不同的特征(斜率、半波)相互区分。

为了既考虑轴向右的转向也附加地考虑轴向左的转向而定位，同样需要第二传感器，因为仅借助一个传感器不能检测两种转向。

代替所述四种不同情况，如顺时针旋转的情况，当前总共要区分八种情况(四种特征乘以各两种可能性)。借助两个传感器可以检测两种斜率。此外还能两次检测测量值的符号(正的或负的半波)。

本发明还涉及一种具有通过风可以围绕转子轴线旋转的转子的风力发电设备，其具有转子轮毂、转子轴和至少一个固定在转子轮毂和基本沿横向于转子轴线延伸的转子叶片，并且具有至少一个发电机，该发电机与转子轴机械地连接并且可由转子轴驱动。按照本发明的转角传感器集成在该设备中并且检测转子位置和转子转速。

按照本发明的风力发电设备可以与按照本发明的转角传感器和在已述的设计方案中的方法相关地扩展设计。

附图说明

本发明其它有利的结构设计从附图和以下进一步详述的实施例中得出。在附图中：

图1示出风力发电设备的示意图。

图2示出用于风力发电设备的转子轴的转角传感器的局部视图。

图3a和图3b分别示出转角传感器的量具的细节。

图4示出用于转角传感器的测量值处理的程序流程图(主函式)。

图5示出按照图4所示的程序流程的第一程序段的程序流程。

图6a至图6c示出按照图4的第二程序段的程序流程。

图7示出转角传感器的两个传感器的叠加的记录信号。

图8示出用于轴的定位的传感器的示意性记录信号。

图9示出用于定位的不同情况的矩阵。

具体实施方式

图1示出风力发电设备1，其中，竖立在基座2上的塔筒3在其远离基座2的端部上与机舱4相连。在机舱4中安置机架5，在机架5上可旋转地支承转子6，该转子6具有转子轴7和转子轮毂8和与之相连的转子叶片9和10，转子叶片分别围绕它们的叶片轴线11、12相对转子轮毂8可以旋转。风力发电设备1通常具有三个转子叶片，但是在图1中仅显示了两个叶片9和10。

每个转子叶片9、10与调节驱动器13、14机械地相连，借助它们可以使转子叶片9、10分别绕配属的叶片轴线11和12旋转，并且通过转子轴7与发电机16机械地相连，发电机16安置在机舱4中并且固定在机架5上，并且将作用在各个转子叶片上的风力15大部分转化为电能。为了风力发电设备1的可控运行，安置风力发电设备控制器17，借助其能够控制调节驱动器13、14。

图2示出风力发电设备1的转子轴7的示意截面图。转子6的转速是可变的，并且相应地与各个当前的风力状况和天气状况相匹配。为此需要转子6的位置监测装置和转速监测装置，它们直接定位在转子轴7的驱动链中，并且分别通过定位装置检测当前转速，并且将这些信息传递至设备控制器17中。

为此转子轴7具有可称为转角传感器、测量值发送器、旋转传感器、角度编码器或转子编码器的测量装置。转角传感器18具有安置在转子轴上方的探测头19并且借助安置在探测头19中的传感器装置检测或测量转子6的作为转子轴7的部分的位置。根据确定的传感器信号可以借助测量值处理器21生成转子6当前的位置值。

传感器单元具有两个模拟的集成在探测头19中的接近传感器。两个传感器A和B配备附图标记20(图3)并且具有大约1600Hz的采样率，0至4mm的操作距离和0至10伏的模拟输出电压。因此传感器信号是模拟的电压值。

根据确定的传感器信号，借助测量值处理单元21可以生成转子或转子轴当前的位置值。为此，在测量值处理单元21中集成具有算法的软件程序，其在探测时根据传感器信号求解出转子轴的位置和速度。通过时间测量可以根据位置测量求解当前的转子转速或角速度值，然后将它们输入风力发电设备控制器17(图1)，并在那里加工出用于风力发电设备1的控制和调节值，此外其也可以用于两个在图1中所示的叶片调节驱动器13和14。沿着转子轴外圆周安置量具22，其在轴7旋转时能够被探测头19的两个传感器20(图3)无接触地探测。

图3a和3b显示了量具22的细节。其按照本发明设计为具有链元件24的滚子链23，其内滚子或内销沿轴线36的方向轴向定向，尤其如图3b所示。在该实施例中可以将具有大约8毫米链宽的普通自行车链用作为链23。探测头19与链23相适配。

链23借助可紧固的链连接环节26固定地紧固在转子轴表面27上，尤其如图3所示。为了保护轴7和为了防滑地保持，链23紧固在由类似橡胶的、但是抗风化的材料构成的防滑的带28上，所述带28可粘接在转子轴表面27上。链连接环节26具有两个构造相同的保持装置29，它们分别在一侧借助销钉30与链23相连。两个保持装置29借助两个可调节的螺栓相连接，借助它们将链23紧固。

为了给确定的传感器信号进行明确的测量处理，需要在转子表面27上确定零点，借助该零点可以将确定的传感器信号同步化。这种同步点33实用地设于缝隙34中，该缝隙34在链连接环节26中。两个传感器A和B以确定的、固定的间距相互布设在轴7的周向上。需要这种传感器间距，以便检测轴7的旋转方向，以便通过这种方式实现同步点33的更精确的测定。

具有两个传感器20的探测头19同时用于链23的引导装置31并且具有槽32，该链可以在槽中被引导。探测面与轴7的曲率半径相适配。探测头19由非磁性的材料制成，用于排除两个电感传感器20的测量错误。两个传感器20在探测头19中可以无极地调整高度。

图4示出在测量值处理单元21(主函式)(main)中的软件的程序流程，借助其能够根据两个传感器信号确定转子轴的位置和速度。该流程程序提供了在单个测量“单函式”(single)(图5)或连续的“扫描”(图6a至6c)测量之间的选择，其中后者作为主程序(主函式)。

在图5中“单函式”流程基本上包括对测量值处理单元21的硬件的检查。在该实施例中测量值处理单元21由模拟/数字变流器(A/D变流器)组成。在此检查参数是否正常(输入频道1或2)(Input Channel 1or 2)。紧接着以所选的模拟过程开始记录电压值(输出：伏特)(Output：Voltage)。作为对A/D变流器的备选也可以使用具有相应的总线连接器的微型控制器。

连续的“扫描”测量构成用于传感器信号的测量值处理的主程序(主函式)。在读入两个传感器20之后运行一种算法，其包括三个区域或程序部段，这些作为程序流程图在图6a至图6c中显示。

图6a显示了“扫描”程序段的第一程序段，其称为“配置”(Configuration)并且基本上包括测量***的校准。在配置程序流程中实施测量过程，并且确定所要用于测量的相关的参数。

首先对在本实施例中使用的A/D变流器(A/D Converter Hardware Check)的硬件进行“检查”(“Check”)。接着进行输入在同步点33上的同步缝隙34的长度(File Imput:Sync length)和链元件24(图3a)的长度。在输入测量参数之后载入实际的扫描数据。若这些数据没有存在或是错误的，则进行误差测量(Setup Scan with Default Settings)。

实际的扫描程序以对同步点33(图3a)的搜索开始。因为在这个点上出现最大的电压，因此搜索该点(Search Max(Sync)Voltage for Sensor A&B)。为了保证正确地测量该同步电压，则附加地计数链条元件。一旦所数的链条元件的数量对于两个传感器A和B是相同的，则继续运行该程序。接着进行对轴周长的计算以及链元件相对同步点33(图3a)的角位置。链23(图3a)在搜索最大电压时被探测(searching Maximum Voltage(＝Sync))，并且将该链23保存为参考物。这为两个传感器20通过两次旋转来实现(Counting elementsfort two rotations)。

图6b显示了“扫描”程序段，其被称为“映射关系”(Mapping)。在该程序段中建立链23的一种“映射”(Map)，以便能够将该链23用作用于转子6的定位的参照物。这种映射的开始既用于第一传感器A也用于第二传感器B(Start Mapping for Sensor A&B with nextSync)。通过每次旋转可以在“同步计数器”越过同步点时加一(if data＝Sync_Coltage->Syn++)。在该程序段中显示了三个同步点(If Sync＝1,2,3)。在建立映射时，在越过同步点33(图3)后登记和保存各个信号电压的最小值和最大值(-Get Minimum&Maximum)。因为传感器20的输出电压相对于探测材料(链)和传感器20之间的距离是不成比例，因此在链元件24的端部存在最大值，在那传感器20和链23之间的距离较小。单独映射由振幅和偏移量建立，对应这种关系：

振幅＝最大值-偏移量

在按照图6b的流程图中这与程序步骤“计算和储存振幅和位移”(-Calculate&Store Amplitude and Displacement)相对应。这种过程在下一次通过同步点时重复(IfSync＝2)。如由图6b继续所示，振幅和偏移量被保存在特殊的数据结构或区域(Array)中(-Backup Map in a file)，并且规律地刷新。这种有规律的刷新是需要的，以用于避免测量错误和提高测量***的精确度，因为两个传感器A和B的输出电压严重地依赖于温度。借助上一次旋转的数据可将映射自动和持续地刷新。

在进行过映射过程和重复地通过同步点之后，对该点进行精确的定位。该流程如图6c所示。这借助两个错开的传感器A和B的测量值相加来实现。由此通过相加产生新构成的、叠加后的正弦函数，如其图7所示。

在图7中显示了在一个测量周期中两个传感器A和B的相加后的传感器输出电压。当传感器之一经过同步缝隙34(图3a)时，则得到明显的峰值35，其大约是出现的最大振幅的两倍。因此，峰值35的正波面(Flanke)被可靠地用作触发点。因为使用了两个传感器，则两个传感器相继地经过同步缝隙34。因此出现两个峰值(参见图7)。在传感器A位于同步缝隙中时，则借助传感器B确定位置，若传感器B处于同步缝隙34中时，则传感器A计算位置。

在同步点33(图3a)被确定和借助参照物调准之后，进行风力发电设备1的转子轴7的定位。为此首先借助软件在测量值单元21中确定所谓的“全局”定位，其中仅“粗略”的用确定的测量精度确定位置(角度)，并且首先不考虑已检测的正弦曲线的已确定的状况。

轴周长和链元件24的长度是已知的。通过轴7的旋转可以计数链元件24的数量，由该数量根据以下公式确定全局的定位。

这种定位仍没有考虑一个或两个传感器20正好位于链元件24的哪个局部区域。此外附加地需要由映射得到的适配的振幅和偏移量。

为了达到所需的0.15度的精度，全局定位是不够的。借助反正弦函数进行传感器20在链元件的局部区域中的定位。“局部”位置计算借助以下函数进行。

Y(x)＝A sin(x)+D

其中

X＝各个链元件的局部位置

Y＝传感器的电压值

A＝各个链元件的振幅

D＝各个链元件的偏移量

转子轴的局部位置因此是：

借助全局和局部的位置可以计算精确的轴位置。在此软件必须检测传感器正好位于正弦曲线的哪个部分中。但是在此需要提前检测转子轴的向右转动和/或向左转动。

图8示出根据多次测量的完整周期内的、参照单位值的正弦曲线。该正弦曲线被分为4个区域。由软件检测，传感器20是否正好处于正的半波或负的半波中，并且斜率是正或负。这些区域的区别在于至少一个不同的特征(斜率、半波)。

为了计算顺时针旋转中精确的位置由以下四种情况得出：

(1)正半波，正斜率

(2)正半波，负斜率

(3)负测量值，负斜率

(4)负测量值，正斜率

为了计算顺时针旋转中精确的位置由以下四种情况得出：情况1：全局位置＝元件×因子+局部位置×1/2因子

情况2：全局位置＝元件×因子-局部位置×1/2因子

情况3：全局位置＝元件×因子+|局部位置|×1/2因子

情况4：全局位置＝元件×因子-|局部位置|×1/2因子

其中的意义是：

元件：所计数的元件的数量。这与半个正弦波相对应。

因子：用于半个元件的因子，单位是度(约1.43度，取决于轴直径)

局部位置：正弦曲线的份额，

全局位置：转子轴的位置，单位是度。

为了检测转子轴7的附加的逆时针旋转，需要附加的信息，为了获得这些信息同样需要两个传感器A和B。

因为正弦曲线是周期性运行的，因此第二传感器可以不与第一传感器错开x×2π弧度或x×2π+π弧度。但是，若传感器的位置按照x×2π+1/2π弧度或x×2π+3/2π弧度计算，则可得到用于正弦曲线的各个点的足够的信息，以便能够检测位置或旋转方向。

取代在顺时针旋转中的四种不同情况，在此区分八种情况(每两种可能有四个特征)。借助两个传感器可以确定两个斜率并且能够两次检测所测电压的符号(正或负的半波)。

图9在不同情况矩阵中示出斜率(slope)和所测电压的符号(X)之间的关联。数字1和2代表各个传感器A和B，具有以下的意义：

X:测量值在正弦曲线中的位置(0＝负半波，1＝正半波)。

Slope：测量信号的斜率(0＝负斜率，1＝正斜率)

情况1至4：顺时针旋转

情况5至8：逆时针旋转

图6c显示了在考虑转子轴7的顺时针旋转(turn RIGHT)和逆时针旋转时“全局”和“局部”定位以及测量信号的斜率(Slope)时“扫描”的程序段。这种程序运行还包括在时间测量中的转子转速的确定(Calculate Rotation Speed rpm(count time&element))。

本发明举例地描述了用于产生电能的风力发电设备的转子轴。对按照本发明的转角传感器的引入和使用显然不局限于这种应用。不言而喻地，其也可以用于其他的具有轴和转子的装置，其中需要确定转速和位置，例如在包括具有一定直径的轴的发电机或驱动装置中，所述直径远大于滚子链的环节距离。

附图标记清单

1 风力发电设备

2 基座

3 塔筒

4 机舱

5 机架

6 转子

7 转子轴

8 转子轮毂

9 转子叶片

10 转子叶片

11 叶片轴线

12 叶片轴线

13 叶片角度调节驱动

14 叶片角度调节驱动

15 风力

16 发电机

17 风力发电设备控制器

18 转角传感器

19 探测头

20 传感器A，B

21 测量值处理单元

22 量具

23 滚子链

24 链元件

25 内滚子，内销

26 链连接环节

27 转子轴表面

28 带

29 保持结构

30 销

31 引导装置

32 凹槽

33 同步点

34 同步缝隙

35 峰值

36 转子轴轴线

Claims (28)

1.一种用于转动轴(7)的转角传感器，包括：

-沿转动轴(7)外圆周布置并支承在转动轴外圆周上的量具(22)，所述量具(22)包括具有链元件(24)的滚子链(23)，滚子链(23)的一对自由端部借助链连接环节(26)相互连接，

-至少一个设计为传感器(20)的探测头(19)，设计为在转动轴(7)转动时电感地感应和识别所述链连接环节(26)和链元件(24)，和

-测量值处理单元(21)，其处理已检测的测量值，以便能够基于在链连接环节(26)和链元件(24)经过相邻的探测头(19)时产生的感应信号得到所述转动轴(7)的位置数据和/或速度数据，其中所述探测头(19)与量具(22)相间隔地布置，并且传感器能够在所述转动轴(7)转动时探测所述量具(22)的表面，所述表面包括链连接环节(26)和链元件(24)，

其中，所述链元件(24)具有内滚子或内销(25)，所述内滚子或内销(25)沿所述转动轴(7)的轴向定向，并且其中，所述滚子链(23)力传递地和形状配合地被固定在所述转动轴(7)的外圆周上，从而所述滚子链(23)不能够相对于转动轴(7)的外圆周滚动。

2.按照权利要求1所述的转角传感器，其特征在于，所述内滚子和内销(25)的被探测的表面在探测过程中产生正弦形的模拟的曲线。

3.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述传感器(20)包括电感的模拟的接近传感器。

4.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述传感器(20)包括至少两个以固定间距相互布置的模拟传感器。

5.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述测量值处理单元(21)包括具有算法的流程程序，该算法通过至少一个传感器信号确定所述转动轴(7)的位置和/或速度。

6.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述测量值处理单元(21)包括存储器，其中有已保存的测量值，该测量值与当前测出的值能进行对比或者能被对比，其中所述当前值能与已保存值相适配或者能被适配。

7.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，在所述滚子链(23)和转动轴表面(27)之间安置防滑带(28)作为轴防护、防滑结构和防震结构。

8.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述滚子链(23)在所述轴外圆周上具有至少一个引导装置(31)。

9.按照权利要求8所述的转角传感器，其特征在于，所述至少一个引导装置(31)在其探测面上具有凹槽(32)，所述滚子链(23)被在该凹槽(32)内导引。

10.按照权利要求9所述的转角传感器，其特征在于，所述探测面具有与所述转动轴外圆周的曲率半径相适配的曲率。

11.按照权利要求8所述的转角传感器，其特征在于，所述引导装置(31)包括探测头(19)和至少一个传感器(20)。

12.按照权利要求1或2所述的转角传感器，其特征在于，所述滚子链(23)具有用于在轴表面(27)上位置识别的确定的同步点(33)。

13.按照权利要求12所述的转角传感器，其特征在于，所述同步点(33)在所述链连接环节(26)上。

14.一种借助按照权利要求1至13之一所述的转角传感器用于确定和测量转动轴(7)的转子转速和转子位置的方法，其特征在于，为了确定和测量转子转速或转子位置，建立所述滚子链(23)的至少一个参照物，并且借助当前的测量值校准至少一个参照物。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，测量过程的开展通过确定与测量相关的参数和配置来进行，并且包括对所述量具(22)的校准。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述配置包括搜索同步点(33)。

17.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括记录和保存信号最小值和最大值，根据信号的最小值和最大值确定链元件的偏移量和确定振幅。

18.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，建立所述滚子链(23)的至少一个参照物在确定的区间中进行并且有规律地更新。

19.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，借助当前的测量值校准至少一个参照物包括确定同步点(33)。

20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，对所述同步点(33)的确定通过确定信号的最大值的上升波面来实现。

21.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，对所述同步点(33)的确定通过两个测量点的差值来获得，其中，始终相互比较这两个测量点。

22.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，对所述同步点(33)的确定通过两个错开的传感器(20)的测量值相加来实现。

23.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，转速确定或全局定位包括记录所述滚子链(23)的数量乘以相对转动轴外圆周的滚子链(23)长度。

24.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，在转速确定或局部定位中附加记录，所述传感器(20)位于滚子链(23)的哪个部分区域中。

25.按照权利要求24所述的方法，其特征在于，局部定位根据该方程进行

$X={\sin }^{-1}\left(\frac{Y-D}{A}\right)$

其中：

X是各个链元件的局部位置，

Y是传感器的测量值，

A是各个链元件的振幅，和

D是各个链元件(24)的偏移量。

26.按照权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，所述定位包括检测所述转动轴(7)的顺时针旋转/逆时针旋转。

27.一种风力发电设备，具有：

通过风可以围绕转子轴线旋转的转子(6)，

转子轮毂(8)、转动轴(7)和至少一个固定在所述转子轮毂(8)上并由该转子轮毂基本沿横向于转子轴线延伸的转子叶片，和

至少一个发电机(16)，该发电机与所述转动轴(7)机械地连接并且能够由该转子轴驱动，其特征在于还包括按照前述权利要求1至13之一所述的、用于确定转子转速和转子位置的转角传感器(18)。

28.按照权利要求27所述的风力发电设备，其特征在于，对转子转速和转子位置的确定和测量按照权利要求14至26之一所述的方法进行。