DE10057662A1

DE10057662A1 - Absolutwertgeber, insbesondere für ein rotierendes System

Info

Publication number: DE10057662A1
Application number: DE2000157662
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Absolutwertgeber, insbesondere für ein rotierendes System, aufweisend einen ortsfest angeordneten Sensor mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten magnetischen Schichten und einer zwischen diesen gelegenen Zwischenschicht. Weiterhin enthält der Absolutwertgeber eine beispielsweise mit einer Rotorwelle verbundene magnetische Codebahn.

Description

Die Erfindung betrifft einen Absolutwertgeber, der insbeson dere für ein rotierendes System vorgesehen ist.

Geber werden beispielsweise zu einer Positions- oder Lagebe stimmung in linearen oder rotierenden Systemen eingesetzt. Die ermittelten Lagewerte können als Eingangsgrößen für Re gelkreise verwendet werden. Mit Hilfe von elektrischen An trieben im Regelkreis lassen sich verschiedene Regelungen re alisieren, beispielsweise der Lage bzw. Position, der Ge schwindigkeit oder der Richtung. Geber sind elektromechani sche Systeme, die einen Sensor und eine Verarbeitungselektro nik aufweisen.

Es ist bereits bekannt, inkrementelle und absolute Geber auf Basis optischer Elemente zu realisieren. Dazu sind Lichtquel len, Linsensysteme, hochgenaue Maßverkörperungen, Fotoelemen te und Opto-ASICs notwendig. Als Lichtquellen können LEDs oder Laserdioden dienen. Bei den hochgenauen Maßverkörperung en kann es sich um Schlitzmasken handeln. Es können Durch lichtverfahren oder Auflichtverfahren verwendet werden. Als Fotoelemente können Diodenarrays dienen. Die genannten Opto- ASICs sind zur elektronischen Weiterverarbeitung der erfass ten Signale vorgesehen. Mittels derartiger optischer Geber können hohe Auflösungen erreicht werden. Die Kosten für auf Basis optischer Bauelemente realisierter Geber sind aber recht hoch.

In jüngerer Zeit werden auch magnetische Effekte für die Ge bertechnik genutzt. Magnetische Geber mit Hall-Elementen be finden sich derzeit in der sogenannten Dynamisierungsphase, in welcher Wege zu einer Miniaturisierung und einer Reduzie rung der Versorgungsspannung gesucht werden. Die erzielbare Auflösung und Empfindlichkeit von auf magnetischer Basis re alisierten Gebern ist begrenzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie neue, ver besserte Absolutwertgeber realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen Absolutwertgeber mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Sensorelemente gemäß der Erfindung bei im Vergleich zum Stand der Technik gleicher Empfindlichkeit eine kleinere räumliche Ausdehnung aufweisen. Dies ist wiederum Vorausset zung für eine Erhöhung des örtlichen Auflösungsvermögens. Da mit lassen sich Geber mit größerer Auflösung realisieren. Weiterhin sind auch ohne einen Verstärkungsvorgang relativ große Ausgangssignalpegel erreichbar. Im Vergleich zum Stand der Technik reichen kleinere Magnetfelder aus, um eine Wider standsänderung hervorzurufen. Dies hat auch zur Folge, dass der Abstand zwischen dem jeweiligen Sensorelement und der Codebahn, welche sich beispielsweise auf einem Polrad, einem Zahnrad, einer Codescheibe oder einer Zahnstange befindet, größer gewählt werden kann. Dies erhöht die Robustheit des Systems, so dass Einbautoleranzen und eine eventuelle Ver schmutzung weniger Einfluss auf die Sensorauswertung haben als beim Stand der Technik. Weiterhin ist eine absolute Posi tionserkennung auch bei einem Stillstand des Rotors gewähr leistet. Durch eine geeignete Ausprägung der Codespuren und der nachgeschalteten Auswertelogik kann die Dreh- oder Bewe gungsrichtung erkannt werden. Ferner weist ein Absolutwertge ber gemäß der Erfindung einen gute Temperaturstabilität auf.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Fi guren.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwert geber gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Absolutwert geber gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwert geber gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwert geber gemäß der Erfindung.

Die Erfindung betrifft einen Absolutwertgeber, insbesondere für ein rotierendes System. Dieser Absolutwertgeber weist ein Gehäuse auf, an dessen Rückwand ein Sensor ortsfest angeord net ist. Weiterhin ist im Gehäuse die zur Auswertung des bzw. der Ausgangssignale des Sensors notwendige Auswerteelektronik vorgesehen. Der Sensor, bei dem es sich um einen GMR-Sensor handelt, weist mindestens zwei parallel zueinander angeord nete magnetische Schichten auf, zwischen denen eine Zwischen schicht vorgesehen ist. Er arbeitet nach dem Magnetowider standseffekt, nach welchem sich der Widerstand eines Materi als durch Anlegen eines Magnetfeldes oder wenn das Material in ein Magnetfeld gebracht wird, ändert. Je mehr magnetische Schichten der Sensor aufweist, desto stärker tritt der Magne towiderstandseffekt auf. Dieser Sensor wird über einer magne tischen Codebahn positioniert, welche beispielsweise mit der Rotorwelle des rotierenden Systems verbunden ist. Die magne tische Codebahn ist beispielsweise auf eine magnetische Code scheibe aufgebracht, die fest mit der Rotorwelle verbunden ist und sich spurtreu und rotierend unter dem ortsfest ange ordneten Sensor bewegt.

Durch eine geeignete Codierung der Codescheibe, wie sie noch unten anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wird, ist eine eindeutige Positionszuordnung bzw. eine absolute Positi onserkennung gewährleistet. Dies gilt auch bei einem Still stand des Rotors. Durch eine geeignete Ausprägung von Code spuren und die nachgeschaltete Auswerteelektronik kann auch eine Erkennung der Dreh- oder Bewegungsrichtung erfolgen.

In der Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwertgeber gemäß der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Sensor vier nebeneinan der angeordnete Sensorelemente 1, 2, 3, 4 auf, von denen je des mindestens zwei parallel zueinander angeordnete magneti sche Schichten und eine zwischen diesen gelegene Zwischen schicht aufweist.

Jedes dieser Sensorelemente ist über einer Codespur der mag netischen Codebahn angeordnet, wobei die Codespuren jeweils kreisförmig verlaufen und nebeneinander angeordnet sind. Das Sensorelement 1 ist über der Codespur 5, das Sensorelement 2 über der Codespur 6, das Sensorelement 3 über der Codespur 7 und das Sensorelement 4 über der Codespur 8 angeordnet.

Jede der Codespuren ist in Richtung der Rotationsbewegung der Codebahn, auf welcher eine magnetische Codierung aufgebracht ist, in einzelne Spurabschnitte S0, . . ., S15 unterteilt, wo bei jedem der Spurabschnitte ein aus mehreren Bits gebildetes digitales Wort vorgegebener Codierung zugeordnet ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Sensorelemente über vier Codespuren vorgesehen, welche in 16 Spurabschnitte unterteilt sind. Die Anzahl der Codespuren und der Spurab schnitte bestimmt letztendlich die Auflösung des Systems und ist frei wählbar.

Die Spuren bzw. Spurabschnitte sind im Sinne eines Graycodes codiert, wobei sich die Spurzuordnung zu den Codewerten durch die folgende Tabelle ergibt:

Tabelle 1

Da jedem Spurabschnitt ein eigenes Codewort zugeordnet ist, erlaubt die vorgenommene Codierung eine absolute Positionser kennung. Aufgrund der Verwendung des Graycodes kommt es zu keinen Decodierfehlern, da die Hammingdistanz gleich 1 ist, d. h. dass sich zwei benachbarte Wörter bzw. Vektoren nur in einer Bitstelle unterscheiden. Der verwendete Code erlaubt auch eine Ermittlung eines Absolutwertes nach einem Span nungsausfall sowie eine Drehrichtungserkennung.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Absolutwertgeber gemäß der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Sensor fünf nebeneinan der angeordnete Sensorelemente 1, 2, 3, 4, 9 auf, von denen jedes mindestens zwei parallel zueinander angeordnete magne tische Schichten und eine zwischen diesen gelegene Zwischen schicht aufweist.

Jedes der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 ist über einer Codespur der magnetischen Codebahn angeordnet, wobei die Codespuren jeweils kreisförmig verlaufen und nebeneinander angeordnet sind. Das Sensorelement 1 ist über der Codespur 5, das Sen sorelement 2 über der Codespur 6, das Sensorelement 3 über der Codespur 7 und das Sensorelement 4 über der Codespur 8 angeordnet. Das Sensorelement 9 befindet sich über einer in krementellen Spur 10.

Jede der Codespuren ist in Richtung der Rotationsbewegung der Codescheibe, auf welcher eine magnetische Codierung aufge bracht ist, in einzelne Spurabschnitte S0, . . ., S15 unter teilt, wobei jedem der Spurabschnitte ein aus mehreren Bits gebildetes digitales Wort vorgegebener Codierung zugeordnet ist. Auch die inkrementelle Spur 10 ist in entsprechende Spurabschnitte unterteilt.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Sensorelemente über vier Codespuren vorgesehen, die in 16 Spurabschnitte un terteilt sind. Weiterhin ist die inkrementelle Spur 10, deren Magnetisierungszustände sich in Rotationsrichtung von Spurab schnitt zu Spurabschnitt ändern, ebenfalls in 16 Spurab schnitte unterteilt.

Die Spuren bzw. Spurabschnitte der Codespuren sind im Sinne eines Graycodes codiert, wobei sich die Spurzuordnung zu den Codewerten durch die folgende Tabelle ergibt, in welcher auch die jeweiligen Bitwerte in der inkrementellen Spur 10 angege ben sind:

Tabelle 2

Da jedem Spurabschnitt ein eigenes Codewort zugeordnet ist, erlaubt die vorgenommene Codierung eine absolute Positionser kennung. Aufgrund der Verwendung des Graycodes kommt es zu keinen Decodierfehlern, da die Hammingdistanz gleich 1 ist, d. h. dass sich zwei benachbarte Wörter bzw. Vektoren nur in einer Bitstelle unterscheiden. Der verwendete Code erlaubt auch eine Ermittlung eines Absolutwertes nach einem Span nungsausfall sowie eine Drehrichtungserkennung. Durch die In krementalspur 10 ist eine Auswertung im Sinne eines Sinus- /Cosinus-Signals möglich. Dies erlaubt einen Interpolations vorgang. Dies erhöht wesentlich die Auflösung des Systems.

In der Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwertgeber gemäß der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Sensor vier nebeneinan der angeordnete Sensorelemente 1, 2, 3, 4 auf, von denen je des mindestens zwei parallel zueinander angeordnete magneti sche Schichten und eine zwischen diesen gelegene Zwischen schicht aufweist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Sensorelemente über vier Codespuren vorgesehen, welche in 16 Spurabschnitte unterteilt sind.

Die Spuren bzw. Spurabschnitte sind im Sinne eines Binärcodes codiert, wobei sich die Spurzuordnung zu den Codewerten durch die folgende Tabelle ergibt:

Tabelle 3

Da jedem Spurabschnitt ein eigenes Codewort zugeordnet ist, erlaubt die vorgenommene Codierung eine absolute Positionser kennung. Der verwendete Code erlaubt auch eine Ermittlung ei nes Absolutwertes nach einem Spannungsausfall sowie eine Drehrichtungserkennung. Aufgrund des verwendeten Binärcodes kann die Codespur 5 gleichzeitig als inkrementelle Spur ver wendet werden, da auf dieser Spur die magnetische Codierung von Spurabschnitt zu Spurabschnitt verändert ist. Dies er laubt einen Interpolationsvorgang und führt zu einer Erhöhung des Auflösungsvermögens des Gebers.

In der Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel für einen Absolutwertgeber gemäß der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Sensor sechs nebeneinan der angeordnete Sensorelemente 1, 2, 3, 4, 9, 11 auf, von de nen jedes mindestens zwei parallel zueinander angeordnete magnetische Schichten und eine zwischen diesen gelegene Zwi schenschicht aufweist. Das Sensorelement 9 befindet sich über einer ersten inkrementellen Spur 10 und das Sensorelement 11 über einer zweiten inkrementellen Spur 12.

Jedes der Sensorelemente 1, 2, 3, 4 ist über einer Codespur der magnetischen Codebahn angeordnet, wobei die Codespuren jeweils kreisförmig verlaufen und nebeneinander angeordnet sind. Das Sensorelement 1 ist über der Codespur 5, das Sen sorelement 2 über der Codespur 6, das Sensorelement 3 über der Codespur 7 und das Sensorelement 4 über der Codespur 8 angeordnet.

Jede der Codespuren ist in Richtung der Rotationsbewegung der Codescheibe, auf welcher eine magnetische Codierung aufge bracht ist, in einzelne Spurabschnitte S0, . . ., S15 unter teilt, wobei jedem der Spurabschnitte ein aus mehreren Bits gebildetes digitales Wort vorgegebener Codierung zugeordnet ist. Auch die erste inkrementelle Spur 10 ist in entspre chende Spurabschnitte unterteilt. Die zweite inkrementelle Spur 12 weist insgesamt 16 Spurabschnitte auf, die gegenüber den Spurabschnitten der Codespuren und der ersten inkremen tellen Spur um eine halbe Spurabschnittslänge verschoben sind.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Sensorelemente über vier Codespuren vorgesehen, die in 16 Spurabschnitte un terteilt sind. Weiterhin ist die erste und die zweite inkre mentelle Spur, deren Magnetisierungszustände sich jeweils in Rotationsrichtung von Spurabschnitt zu Spurabschnitt ändern, ebenfalls in 16 Spurabschnitte unterteilt. Aufgrund des Ver satzes der zweiten inkrementellen Spur gegenüber der ersten inkrementellen Spur ist eine Richtungserkennung möglich.

Die Spuren bzw. Spürabschnitte sind im Sinne eines Graycodes codiert, wobei sich die Spurzuordnung zu den Codewerten durch die folgende Tabelle ergibt:

Tabelle 4

Da jedem Spurabschnitt ein eigenes Codewort zugeordnet ist, erlaubt die vorgenommene Codierung eine absolute Positionser kennung. Aufgrund der Verwendung des Graycodes kommt es zu keinen Decodierfehlern, da die Hammingdistanz gleich 1 ist, d. h. dass sich zwei benachbarte Wörter bzw. Vektoren nur in einer Bitstelle unterscheiden. Der verwendete Code erlaubt auch eine Ermittlung eines Absolutwertes nach einem Span nungsausfall. Die Drehrichtung ist aufgrund der Verwendung zweier inkrementeller Spuren erkennbar. Durch die Inkremen talspuren ist eine Auswertung im Sinne eines Sinus-/Cosinus- Signals möglich. Dies erlaubt einen Interpolationsvorgang und führt zu einer Erhöhung des Auflösungsvermögens des Gebers.

Claims

1. Absolutwertgeber, aufweisend
einen ortsfest angeordneten Sensor (1, 2, 3, 4) welcher mindestens zwei parallel zueinander angeordnete magneti sche Schichten und eine zwischen diesen gelegene Zwischen schicht aufweist, und
eine magnetische Codebahn (5, 6, 7, 8).

2. Absolutwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass er für ein rotierendes System vorgesehen ist und die magnetische Codebahn mit einer Rotorwelle verbun den ist.

3. Absolutwertgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass der Sensor mehrere nebeneinander angeordnete Sensorelemente aufweist, von denen jedes mindes tens zwei parallel zueinander angeordnete magnetische Schich ten und eine zwischen diesem gelegene Zwischenschicht auf weist, und die magnetische Codebahn mehrere nebeneinander an geordnete Codespuren aufweist.

4. Absolutwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Codespuren in Richtung der Rotations bewegung einzelne Spurabschnitte (S0, . . ., S15) bilden und jedem Spurabschnitt ein aus mehreren Bits gebildetes digita les Wort vorgegebener Codierung zugeordnet ist.

5. Absolutwertgeber nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Codespuren jeweils 2ⁿ Spurabschnitte aufweisen, wobei n eine ganze Zahl ist, und die Anzahl der Codespuren gleich n ist.

6. Absolutwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren mit einer Graycodierung versehen sind.

7. Absolutwertgeber nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die magnetische Codebahn mit einer paral lel zu den Codespuren vorgesehenen ersten inkrementellen Spur (10) versehen ist, welche Spurabschnitte aufweist, die den Spurabschnitten der Codespuren entsprechen, und dass in Rota tionsrichtung aufeinanderfolgende Spurabschnitte der inkre mentellen Spur unterschiedliche Magnetisierungszustände auf weisen, und dass der Sensor mit einem der inkrementellen Spur zugeordneten Sensorelement (9) versehen ist.

8. Absolutwertgeber nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die magnetische Codebahn mit einer zwei ten, parallel zu den Codespuren und parallel zu der ersten inkrementellen Codespur vorgesehenen Codespur (12) versehen ist, welche Spurabschnitte aufweist, die gegenüber den Spur abschnitten der Codespuren und der ersten inkrementellen Spur verschoben sind.

9. Absolutwertgeber nach, einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass die Spuren mit einer Bi närcodierung versehen sind.