CZ296834B6

CZ296834B6 - Induktivní úhlový sensor

Info

Publication number: CZ296834B6
Application number: CZ0284398A
Authority: CZ
Inventors: Irle@Henning; Kost@Norbert; Schmidt@Franz-Josef
Original assignee: Hella Kg Hueck Co.
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2006-06-14
Also published as: CZ284398A3; EP0900998A1; DE59812109D1; DE19738839A1; ES2229430T3; US6366078B1; EP0900998B1

Abstract

Induktivní úhlový sensor s budicí cívkou (9) a s více prijímacími cívkami (8) usporádanými vzájemnepresazene o predem danou úhlovou hodnotu. Rotorový prvek, jehoz poloha je zachycována sensorem, obsahuje induktivní vazební prvek (11) a dává signálydo prijímacích cívek (8), které v podstate sinusovite závisí na poloze rotorového prvku. Výstupní signály ruzných prijímacích cívek (8) jsou vzájemnefázove posunuty. Pro vytvorení jednak lineární souvislosti mezi polohou rotorového prvku výstupním sensorovým signálem a jednak docílení pokud mozno nejvetsí mericí presnosti, obsahuje úhlový sensor výberové zarízení, které vezme vzdy pro vyhodnocení ten výstupní signál, který práve probíhá prímkovou cást v blízkosti nulového pruchodu sinusové funkce.

Description

Vynález se týká induktivního úhlového sensoru se statorovým prvkem, který obsahuje budicí cívku napájenou periodickým střídavým napětím, jakož více přijímacích cívek uspořádaných vzájemně posunuté o určitou úhlovou hodnotu, s rotorovým prvkem, který je uspořádán pohyblivě vzhledem ke statorovému prvku a induktivním vazebním prvkem vyvozuje induktivní vazbu mezi budicí cívkou a přijímacími cívkami v závislosti od své relativní polohy ke statorovému prvku, a s vyhodnocovacím obvodem, který stanovuje z výstupních signálů přijímacích cívek polohu rotorového prvku a způsobu vyhodnocení polohy rotorového prvku.

Známy stav techniky

U známých úhlových sensorů vyvozuje každá přijímací cívka výstupní signál, který v podstatě sinusově závisí na poloze rotorového prvku.

Pokud se má vytvořit lineární souvislosti mezi výstupními signály přijímacích cívek a polohu rotorového prvku, je zpracování signálu velmi nákladné, nebo je nutno počítat se sníženou přesností měření.

Cílem vynálezu je vytvoření induktivního úhlového sensoru, který jednoduchým způsobem vytváří z v podstatě sinusových výstupních signálů přijímacích cívek sensorový výstupní signál lineárně související s polohou rotorového prvku. Dále je cílem pokud možno co nejjednodušší způsob vyhodnocení, podle kterého úhlový sensor podle vynálezu působí. Přitom má být dosaženo pokud možno nejvyšší přesnosti měření a nadto kompenzovány chyby měření způsobené tolerancemi stavebních částí úhlového sensoru.

Podstata vynálezu

Podstata úhlového sensoru podle vynálezu je řešena podle význaků uvedených v nárocích.

Jak již bylo zdůrazněno, změna polohy rotorového prvku vyvozuje výstupní signály v přijímacích cívkách, jejichž hodnoty (např. hodnoty napětí) závisejí v podstatě sinusovitě na poloze rotorového prvku. Nyní pro docílení lineární závislosti mezi polohou rotorového prvku a výstupního signálu sensoru je úhlový sensor podle vynálezu vytvořen tak, že jeho vyhodnocovací obvod zohledňuje pro vyhodnocení přibližně lineární oblast okolo nulového průchodu sinusové funkce.

Protože je použito více přijímacích cívek vzájemně posunutých o předem daný úhel, zahrnuje vyhodnocovací obvod výběrové zařízení, které volí výstupní signály přijímacích cívek, které právě probíhají v oblasti nulového průchodu sinusové funkce.

Celkový měřic rozsah úhlového sensoru podle vynálezu je tak rozdělen do více měřicích úseků, ve kterých se vždy lineárně mění výstupní signál mezi spodní hodnotou signálu a vrchní hodnotou signálu.

Vrchní a spodní hodnota je přitom pro každý měřicí úsek stejná, takže výhodně mohou být prvky vyhodnocovacího obvodu, zvláště analogo-digitálně měřič pro vyhodnocení, dimenzovány přesně pro oblast výstupních signálů.

Zvláště vysoká přesnost měření úhlového sensoru podle vynálezu se docílí tím, že celý měřicí rozsah je rozdělen do většího počtu měřicích úseků.

-1 , _a- ► , „ „ - _r • ‘1 *

Je výhodné použití pro vyhodnocení vedle výstupních signálů přijímacích cívek také invertované, t.zn. přepólované, výstupní signály přijímacích cívek. Počet měřicích úseků je v tomto případě rovný dvojnásobnému počtu přijímacích cívek.

Zde je však žádoucí použít lichý počet přijímacích cívek, neboť při sudém počtu přijímacích cívek jsou invertované signály přijímacích cívek vždy párovitě identické s původními signály přijímacích cívek a počet měřicích úseků není dvojitý, ale stejný s počtem přijímačích cívek.

K vyhodnocovacímu obvodu patří kromě vyhodnocovacího obvodu rovněž usměrňovač, který má za úkol vyfiltrovat podíl vysokofrekvenčního střídavého napětí pochází, které ze signálu vyvozeného budicí cívkou. Sinusovitý, na poloze závislý výstupní signál, se projevuje pak jako obalová křivka původního signálu přijímací cívky. Jak usměrňovač, tak přepínací zařízení, mohou být tak realizovány zvláště jednoduše a výhodně prostřednictvím analogového spínače.

Dále je výhodné, vždy jedno napojení přijímacích cívek spojit se společným součtovým bodem. Protože se tím může ušetřit vždy jedno napojení pro vyhodnocovací obvod, může se při stejné hustotě přijímacích cívek počet přijímacích cívek zvětšit a tím může být zvýšen počet měřicích úseků a zvýšena přesnost výstupního signálu.

Rovněž je výhodné použít analogo-digitální měnič a mikrocomputer. Mikrocomputer počítá jednak výstupní signál úhlového sensoru a jednak řídí na základě hodnoty mu přiváděných digitalizovaných výstupních signálů výběrové zařízení, a sice, že spíná analogo-digitální měnič vždy podle hodnoty nejmenší výstupní signál s pozitivním nárůstem pro předem daný směr pohybu rotorového prvku.

Pořadí zvolených výstupních signálů je pro každý směr pohybu rotorového prvku dán předem a mění se vždy cyklicky.

Zvláště výhodné je k tomu, zvolit pro vyhodnocení dvě, v pořadí sousední, hodnoty výstupních signálů a vytvořit poměr. Tím se mohou dobře kompenzovat jednoduchým způsobem nepřesnosti ve výstupním signálu sensoru, které jsou způsobeny tolerancemi v uspořádání budící cívky a přijímacích cívek mezi sebou (výkyvy ve vzdálenosti, úhlové posunutí).

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech je znázorněn induktivní úhlový sensor podle vynálezu kde:

obr. 1 znázorňuje schéma uspořádání přijímacích cívek a vyhodnocovacího obvodu, obr. 2 znázorňuje schéma výstupních signálů přijímacích cívek připojených na výběrové zařízení a rovněž invertované výstupní signály přijímacích cívek obr. 3 znázorňuje všeobecný funkční princip induktivního úhlového sensoru.

Příklady provedení vynálezu

Všeobecný funkční princip možného provedení induktivního úhlového sensoru je znázorněn na obr. 3. na neznázoměném statorovém prvku je uspořádána budící cívka 9, jehož,více, zde např. pět, přijímacích cívek 8. Přijímací cívky 8 jsou přitom uspořádány posunuté, a to u tohoto skutečného provedení o předem danou úhlovou hodnotu rovnoměrně přes měřicí oblast. Zde vedle sebe znázorněné přijímací cívky 8 jsou např. umístěny na vícevrstvé vodicí desky a provedeny jako vinuté vodiče v obvodovém směru kruhu.

Vždy jedno napojení každé přijímací cívky 8 je spojeno se společným součtovým bodem (S) a druhé napojení vždy se vstupem vyhodnocovacího obvodu L

Oscilátor 10 napájí budicí cívku vysokofrekvenčním signálem střídavého napětí, který je přes induktivní vazební prvek 11, který příslušní neznázorněnému rotorovému prvku, přenášen do přijímacích cívek 8.

Vzájemným přesazením přijímacích cívek 8 leží na vyhodnocovacím obvodu 1 různé výstupní signály (A až E) přijímacích cívek 8, ze kterých vyhodnocovací obvod určuje polohy rotorového prvku, příp. induktivního vazebního prvku 11, vzhledem ke statorovému prvku.

Princip sestavení vyhodnocovacího obvodu je přísněji znázorněn na obr. 1 se spíše elektrickým než geometrickým uspořádáním, pěti přijímacími cívkami 8. Stejnoměrným uspořádáním pěti přijímacích cívek 8 přes oblast měření jsou napětí indukovaná v přijímacích cívkách 8, jakož i napětí (a, b, c, d, e) vodičů snímatelná mezi cívkami fázově vždy o 72° fázově posunuta. To je srovnatelné s uspořádáním cívek pěti-fázového generátoru střídavého napětí se součtovým bodem jako nulovým bodem. Geometrické úhlové posunutí mezi přijímacími cívkami 8 nemusí přitom být nutně 72°, protože uspořádání cívek může být jen pro zachycení částečného úseku kruhu.

Napětí (a, b, c, d, e) vodičů se přivádí usměrňovači 2 příslušejícímu k vyhodnocovacímu obvodu

1. Usměrněním, přednostně zvláště lineárně pracujícím analogovým spínačem, se eliminuje vysokofrekvenční podíl signálů přijímacích cívek 8. Zůstávají výstupní signály (A až E) přijímacích cívek 8 odpovídají tak obalovým křivkám napětí (a, b, c, d, e) vodičů a obsahují pouze sinusovou závislost od polohy nezakresleného rotorového prvku.

Výstupní signály (A až E) jakož elektricky invertované (přepólované) výstupní signály ( A až E) jsou přiváděny na řiditelné výběrové zařízení 3, které je rovněž technicky realizováno analogovým spínačem a v obr. 1, schematicky zjednodušeně, je představován přepínačem. Vždy každý z výstupních signálů (A až E), příp. invertovaných výstupních signálů ( A až E) je výběrovým zařízením 3 přes HF-filtr, který odstraňuje případné zůstatkové vysokofrekvenční podíly, a přes zesilovač 5 sepnut na analogo-digitální měnič 6. Zesilovač 5 má přitom zvláštní úkol, přizpůsobit úroveň výstupních signálů na oblast změn analogo-digitálního měniče 6. Analogo-digitální měnič 6 předává zase svůj digitalizovaný výstupní signál na mikrocomputer 7, který jednak vypočítává a vydává výstupní signál sensoru odpovídající poloze rotorového prvku a dále řídí výběrové zařízení 3. Mikrocomputer 7 rozhoduje zvláště, který z výstupních signálů (A až E) resp. z invertovaných výstupních signálů (A až E) se dostane pro vyhodnocení.

Pro osvětlení principu vyhodnocení podle vynálezu je vhodný obr. 2 znázorňující kvantitativně průběh výstupních signálů (A až E), příp. invertovaných výstupních signálů ( A až E) přiváděných na výběrové zařízení 3. Zanesena je fázová vzájemná poloha jednotlivých signálů, přičemž souřadnice je označena v obloukových jednotkách. Průběh výstupních signálů je zde znázorněn bezrozměrově v oblasti hodnot sinusové funkce a násoben pro konkrétní realizaci hodnotou napětí.

Zvýrazněně jsou znázorněny úseky těch sinusových křivek s co nejmenšími narůstajícími úseky. Získá se tím přes měřicí oblast 10 rovnoměrně vzrůstající měřicích úseků (I až X), které využije vyhodnocovací obvod pro určení polohy.

Každý měřicí úsek (I až X) probíhá od spodní signální hodnoty (USW) k vrchní signální hodnotě (OSW), který je pro každý měřicí úsek stejně veliký. Toto je výhodné, protože tak faktor zesílení zesilovače 5 znázorněného na obr. 1 může být zvolen tak, že diference (UB) signálu mezi vrchní hodnotou signálu a spodní hodnotou signálu krát faktor zesílení odpovídá přesně oblasti změny analogo-digitálního měniče 7, takže tento dosáhne v každé oblasti měření nejlepší možné rozlišení.

y®* .

Výstupní signál, který je přiváděn na analogodigitální měnič 7, je měřítkem pro to, na kterém místě uvnitř libovolného měřicího úseku (I až X) se sdělující poloha nalézá. Aby se sdělila přesná poloha, musí se nyní připočítat počet již proběhlých měřicích úseků n.

Protože mikrocomputer 7 sepne vždy při dosažení vrchní signální hodnoty na výstupní signál příslušející dalšímu měřicímu úseku, nebo odpovídajícím způsobem při dosažení spodní signální hodnotu přepne zpět na výstupní signál příslušející předchozímu měřicímu úseku, počítá jednoduše počet proběhnutých měřicích úseků z předchozích přepnutí.

Výstupní signál (Us) odpovídající poloze rotorového prvku může mikrocomputer snadno spočítat násobením počtu proběhnutých měřicích úseků n rozdílem (Ub) signálu každého měřicího úseku (U_B=OSW-USW) plus změřená signální hodnota (U_N) v právě zachyceném měřicím úseku.

Tímto jednoduchým způsobem se získá výstupní signál sensoru, který závisí téměř lineárně na poloze rotorového prvku. Zvláštní výhoda je ktomu to, že se rozdělením měřicí oblasti do měřicích úseků nechá zvýšit o faktor počtu dělení přesnost zachycení polohy, která je jinak ohraničena přesností analogo-digitálního měniče.

Claims

1. Induktivní úhlový sensor se statorovým prvkem, který obsahuje budicí cívku (9) napájenou periodickým střídavým napětím, jakož více přijímacích cívek (8) uspořádaných vzájemně přesazené o určitou úhlovou hodnotu, s rotorovým prvkem, který je uspořádán pohyblivě vzhledem ke statorovému prvku a induktivním vazebním prvkem (11) vyvozuje induktivní vazbu mezi budicí cívkou (9) a přijímacími cívkami (8) v závislosti od své relativní polohy ke statorovému prvku, a s vyhodnocovacím obvodem (1), který stanovuje z výstupních signálů (A, B, C, D, E) přijímacích cívek (8) polohu rotorového prvku, vyznačený tím, že vyhodnocovací obvod (1) obsahuje výběrové zařízení (3), které zvolí v závislosti na okamžité hodnotě výstupních signálů (A až E) alespoň jeden z výstupních signálů (A až E) a že vyhodnocovací obvod (1) určuje z hodnoty/hodnot alespoň jednoho zvoleného výstupního signálu okamžitou polohu rotorového prvku, že přijímací cívky (8) jsou na statorovém prvku přes měřicí rozsah rovnoměrně uspořádány, úhlový sensor obsahuje lichý počet přijímacích cívek (8) a vyhodnocovací obvod (1) přídavně k výstupním signálům (A až E) přijímacích cívek (8) přivádí výběrovému zařízení (3) vždy výstupní signály ( A až E) s invertovanou polaritou.

2. Induktivní úhlový sensor podle nároku 1, vyznačený tím, že vyhodnocovací obvod (1) obsahuje usměrňovač (2) k eliminaci podílu vysokofrekvenčního střídavého napětí propojeného budicí cívkou (9) z přijímacích signálů (A až E) přijímacích cívek (8) a že jak usměrňovač (2), tak výběrové zařízení (3) jsou tvořeny analogovým spínačem.

3. Induktivní úhlový sensor podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že vždy jedno napojení každé přijímací cívky (8) je přivedeno ke společnému součtovému bodu (S) a každé druhé napojení k vyhodnocovacímu obvodu (1) a že vyhodnocovací obvod (1) vyhodnocuje vždy napětí vodiče mezi dvěma přijímacími cívkami (8).

» ‘

4. Induktivní úhlový sensor podle nároků 1, 2 nebo 3, vyznačený tím, že vyhodnocovací obvod (1) obsahuje analogo-digitální měnič (6), který přes výběrové zařízení (3)digitalizuje výstupní signál (A až E, A až E) a přivádí k mikrocomputeru (7) a že mikrocomputer (7) řídí digitalizovanými výstupními signály výběrové zařízení (3).

5. Způsob vyhodnocování polohy rotorového prvku induktivního úhlového sensoru podle některého z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že mikrocomputer (7) řízením výběrového zařízení (3) volí vždy hodnotově nejmenší výstupní signál (E až E, A až E) s pozitivním nárůstem při nastaveném směru otáčení rotorového prvku.

6. Způsob vyhodnocení podle nároku 6, vyznačený tím, že mikrocomputer (7) volí výstupní signály (A až E, A až E) v předem daném cyklickém pořadí.

7. Způsob vyhodnocení podle nároku 5 nebo 6, vyznačený tím, že celkový měřicí rozsah úhlového sensoru je rozdělen do 2N měřicích úseků (I až X) (kde N=lichý počet přijímacích cívek), že se zvolený výstupní signál v každém měřicím úseku I až X mění o signální diferenci (U_B), že digitalizovaná výstupní hodnota analogo-digitálního měniče (6) odpovídá měřené výstupní signální hodnotě (U_n) v právě zachycované měřicí oblasti (n), a že mikrocomputer (7) počítá výstupní signál (U_s) úhlového sensoru podle vztahu U_s = U_B . n+U_n.

8. Způsob vyhodnocení podle nároků 6 až 8, vyznačený tím, že výběrové zařízení (3) volí druhý výstupní signál sousedící v pořadí za hodnotově nejmenším prvním signálem a že mikrocomputer (7) z toho počítá normovanou výstupní signální hodnotu (U_n) v právě měřené oblasti n podle předpisu U_n = první výstupní signální hodnota (první signální výstupní hodnota plus druhá výstupní signální hodnota).