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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kapazitive Drehgeber werden in vielen Industriebereichen und in der Automobiltechnik eingesetzt, um die Lage einer Welle berührungslos und einfach zu erfassen.
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Aus der
DE 600 16 395 T2 ist ein kapazitiver Drehgeber bekannt, bei dem die Winkelstellung eines Rotors, der zwischen zwei scheibenförmigen Elektroden angeordnet ist, kapazitiv erfasst wird. Eine Elektrodenscheibe wirkt als Sendeelektrode die gegenüberliegende Elektrodenscheibe als Empfangselektrode. Die periodischen Signale der Sendeelektrode erzeugen in der Empfangselektrode ein primäres Empfangssignal. Dieses wird in einer Auswerteschaltung ausgewertet. Dabei wird das primäre Empfangssignal zuerst verstärkt und dann mittels eines Synchrongleichrichters gleichgerichtet. Aus den von der Synchrongleichrichter gelieferten Spannungssignalen kann die Winkelstellung des Rotors ermittelt werden.
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In dieser Druckschrift sind zwei prinzipiell mögliche Elektrodenanordnungen bei kapazitiven Drehgebern gezeigt; segmentierter Sender, mit mehreren Sendeelektroden und einem nicht segmentierte Empfänger mit einer einzelnen Empfangselektrode bzw. eine nicht segmentierten Sender mit einem segmentierten Empfänger.
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Im ersten Fall ist die Erzeugung der Sendesignale etwas aufwendiger und dafür die Verarbeitung des Empfangssignals einfacher, weil nur ein Empfangskanal notwendig ist.
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Im zweiten Fall ist die Erzeugung des Sendesignals relativ einfach, dafür sind aber auf der Empfängerseite mehrere Empfangskanäle für die Empfangselektroden erforderlich.
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Die Verstärker, die den Synchrongleichrichter vorgeschaltet sind, verstärken die primären Empfangssignale, bevor sie den Synchrongleichrichter zugeführt werden.
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Dem Synchrongleichrichter vorgelagerte elektronischen Bauteile können Phasenverschiebungen verursachen.
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Diese Phasenverschiebungen sind häufig temperaturabhängig und wirken sich als unerwünschte Signalverschiebungen bei der Signalverarbeitung aus.
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Die Sendesignalfrequenz ist bei diesem kapazitiven Drehgeber aufgrund verschiedener Einflussfaktoren auf ca. 10 kHz begrenzt.
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Bei relativ hohen Drehzahlen sind spezielle Filter notwendig, um das Nutzsignal von Störsignalen, die u. a. von der Rotationsfrequenz abhängen, zu trennen.
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Aus der
US 6 876 209 B2 ist ein weiterer kapazitiver Drehgeber bekannt, bei dem sowohl der Sender wie auch der Empfänger segmentiert sind. Die Signalverarbeitung erfolgt empfängerseitig zeitseriell mittels eines Multiplexers. Damit werden Signaleinflüsse, die durch Bauteiltoleranzen hervorgerufen werden, vermieden, da alle Empfangssignale gleich verarbeiten werden. Dieser Vorteil bedingt aber eine serielle Signalverarbeitung.
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Gleichfalls bei diesem kapazitiven Drehgeber erfolgt die Signalverarbeitung mit einem Verstärker dem ein Synchrongleichrichter nachgeschaltet, ist, dessen Ausgangssignal den für derartige Drehgeber typische quasi dreiecksförmigen Signalverlauf zeigt.
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Auch hier sind unerwünschte Temperatureinflüsse auf die Phasenlage des Eingangssignals der Synchrongleichrichtereinheit möglich.
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Aus der
DE 37 11 062 C2 ist ein weiterer kapazitiver Drehgeber bekannt, bei dem die primären Empfangssignale der Empfangselektrode zuerst verstärkt werden bevor sie mittels einer Synchrongleichrichtereinheit gleichgerichtet werden.
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Aus der Veröffentlichung, IEEE Instrumentation Measurement Technologie Conference Anchorage AK USA 21–23 May 2002 „How to Build a Reliable Capacitive sensors for an Industrial Environment” ist ein kapazitiver Drehgeber bekannt, bei dem die primären Empfangssignale ebenfalls erst verstärkt werden, bevor sie gleichgerichtet werden.
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Dieser Drehgeber arbeitet mit einer hohen Sendesignalfrequenz ca. 10 Mhz. Dadurch sind relative kleine Elektrodenflächen realisierbar. Die Auswertung ist jedoch relativ aufwendig. Es sind relativ teure Hochfrequenzverstärker und mehrere Filter auf notwendig.
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Aus dem Dokument
DE 44 23 469 A1 ist ein kapazitiver Drehgeber mit Empfangselektroden und einer Auswerteschaltung bekannt. Die Empfangselektroden sind über einen Impedanzwandler mit einem Synchrongleichrichter verbunden.
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Aus der
DE 14 62 485 C ist ein weiterer kapazitiver Drehgeber bekannt, bei dem eine Empfangselektrode mit einer Gleichrichterdiode verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb einen kapazitiven Drehgeber zu schaffen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist, der insbesondere eine möglichst geringe Temperaturdrift aufweist, der für kleine Elektrodenflächen geeignet ist, der eine parallele Signalverarbeitung erlaubt, der gegenüber Bauteiltoleranzen unempfindlich ist, und der trotzdem einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, eine Synchrongleichrichtereinheit direkt mit den Empfangselektroden zu verbinden und der Synchrongleichrichtereinheit eine Verstärkereinheit nachzuschalten. Damit werden die primären hochfrequenten Empfangssignale unmittelbar gleichgerichtet, bevor sie anschließend relativ niederfrequent verstärkt und weiterverarbeitet werden.
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Unerwünschte Signalverschiebungen (Drifteffekte) fallen weg, da die Synchrongleichrichtereinheit den Verstärkern vorgeschaltet ist. Damit können auch erheblich höhere Arbeitsfrequenzen > 500 kHz gewählt werden. Höhere Arbeitsfrequenzen bedeuten bei kapazitiven Sensoren immer größere Signalintensitäten. Aufgrund des Signalgewinns können die Elektroden damit kleiner gestaltet werden, was bei vielen Anwendungen ein entscheidender Vorteil ist. Außerdem wird dadurch der Frequenzabstand zur Rotationsfrequenz des Rotors erhöht. Aufwendige Filter können entfallen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Synchrongleichrichtereinheit als Multiplexer mit zwei Schaltausgängen ausgebildet. Die Schaltausgänge sind so verschaltet sind, dass das Differenzsignal zweier Empfangselektroden gebildet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verzögerungsglied in der Sendesignalleitung vorgesehen, um das Taktsignal für den Synchrongleichrichter und das eigentliche Sendesignal gegeneinander zu verzögern:
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 kapazitiver Drehgeber mit Blockschaltbild der Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik
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2 erfindungsgemäßer kapazitiver Drehgeber mit Blockschaltbild der Signalverarbeitung
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3 Detaildarstellung der Synchrongleichrichtereinheit und Verstärkereinheit gemäß 2
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4 zeitlicher Verlauf von Sendesignal, Empfangssignale und Taktsignal bei einem erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber
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In 1 ist ein Blockdiagramm eines kapazitiven Drehgebers gemäß dem Stand der Technik, der mit einer hohen Sendefrequenz arbeitet, näher dargestellt. Zwischen einem segmentierten Sender S mit mehreren Sendeelektroden SE und einer Empfangselektrode EE als Empfänger ist ein Rotor R angeordnet. In Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors R werden die Kapazitäten zwischen den Sendeelektroden SE und der Empfangselektrode EE beeinflusst. Die einzelnen Sendeelektroden SE werden von einem Sendesignalgenerator (nicht dargestellt) angesteuert. Das primäre Empfangssignal der Empfangselektrode EE wird zuerst verstärkt und anschließend aufwendig weiterverarbeitet. Das Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters wird nach einer weiteren Verarbeitung in einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und anschließend in einem Mikrocontroller ausgewertet, wobei die Winkelstellung bzw. die Winkelgeschwindigkeit des Rotors ermittelt wird.
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Aufgrund der hohen Sendefrequenz (> 1 MHz) sind bei der Signalverarbeitung ein aufwendiger HF-Verstärker und verschieden Filter notwendig.
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In 2 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgebers schematisiert dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten kapazitiven Drehgeber ist hier nicht die Sender sondern der Empfänger segmentiert. Zwischen einer Sendelektrode SE und mehreren Empfangselektroden EE ist der Rotor R angeordnet. Die Sendeelektrode SE ist mit einem Sendesignalgenerator SG über ein Verzögerungsglied VG erbunden. Die Empfangselektroden sind mit einer Auswerteschaltung AS verbunden.
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Dargestellt sind nur zwei Empfangselektroden A, B. Es werden jeweils die Signale zweier Empfangselektroden differentiell entsprechen einem Differentialkondensator ausgewertet werden. Ingesamt sind empfängerseitig 8 Empfangselektroden vorgesehen, die der Übersichtlichkeit halber nicht einzeln dargestellt sind. Entsprechend sind separate 4 Empfangskanäle zur Signalverarbeitung vorgesehen, von denen einer exemplarisch dargestellt ist.
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Die Auswerteschaltung AS besteht aus einer Synchrongleichrichtereinheit SY, die ihr Taktsignal von dem Sendesignalgenerator SG erhält, und einer Verstärkereinheit VE. Erfindungsgemäß ist die Synchrongleichrichtereinheit SY direkt mit den Empfangselektroden verbunden und die Verstärkereinheit VE der Synchrongleichrichtereinheit SY nachgeschaltet. Die Verstärkereinheit VE weist außerdem niederohmige Eingänge für die von der Synchrongleichrichtereinheit SY gelieferten Stromsignale auf. Der Verstärkereinheit VE ist ein Mikrocontroller μC nachgeschaltet, in dem die Winkelstellung des Rotors bzw. dessen Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird.
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In 3 ist Synchrongleichrichtereinheit SY naher dargestellt. Sie besteht aus einem Multiplexer MUX mit zwei Schaltern S1, S2, die mit den beiden Empfangselektroden A bzw. B verbunden sind. Über zwei Tiefpasse TP1, TP2 werden die Signale zum Eingang der Verstärkereinheit VE geführt. Die beiden Schalter S1, S2 werden antiparallel angesteuert, so dass die Signale alternierend zu den Tiefpässen weitergeleitet werden. Wie die Ansteuerung der Schalter S1 und S2 genau erfolgt ist in 4 dargestellt.
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4 zeigt die zeitlichen Verläufe des Sendesignals (Rechteckspannung), der Stromimpulse der beiden Empfangselektroden A, B wie sie mittels der Schalter S1 und S2 selektiert werden und gleichzeitig welcher der beiden Schalter S1 bzw. S2 geschlossen ist. Die beiden Schalter werden alternierend geöffnet bzw. geschlossen, d. h. wenn der eine Schalter geschlossen ist, ist der andere Schalter offen. Somit werden von der Empfangselektrode A nur die Stromimpulse die der positiven Schaltflanke des Sendesignals zugeordnet sind und von der Empfangselektrode B nur die Stromimpulse, die der negativen Schaltflanke zugeordnet sind, selektiert und mit Hilfe der beiden Tiefpässe TP1 und TP2 gefiltert. Da die Ausgangssignale der Tiefpässe unterschiedliche Polarität aufweisen und diese zusammengeführt werden, wird damit automatisch ein Differenzsignal gebildet. Wenn die beiden Empfangselektroden A, B durch die aktuelle Stellung des Rotors gleich abgedeckt werden, verschwindet das Differenzsignal entsprechend.
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Am Ausgang der Verstärkereinheit VE erhält man einen dreiecksförmigen Signalverlauf, da die Kapazität der Elektrodenpaare bei einer Rotordrehung linear ansteigt bzw. abfällt Erfindungsgemäß sind die Taktsignale für den Multiplexer MUX gegenüber dem Sendesignal geringfügig versetzt, so dass das Umschalten der Schalter immer stromlos erfolgt.
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Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
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Bei dem Sendesignalgenerator S handelt es sich um einen Hochfrequenzgenerator, der ein TTL-Signal mit einer Frequenz von mehr als 500 kHz ausgeht. Vorzugsweise liegt die Frequenz bei 2 MHz. Aufgrund dieser hohen Frequenzen sind relativ kleinflächige Elektroden möglich, wodurch Bauraum gespart werden kann, ohne dass die Signalstärke leidet. Mit kleinen Elektroden kann auch ein kapazitiver Drehgeber realisiert werden, der für eine Grobmessung eine Grobspur und für eine Feinmessung eine Feinspur mit z. B. 8 Empfangselektroden aufweist, die auf einem einzigen Empfänger, z. B. einer Empfängerscheibe mit einem Durchmesser von weniger als 5 cm, angeordnet sind.
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Durch das hochfrequente Sendesignal werden in den Empfangselektroden primäre Empfangssignale (Strompulse) generiert, die unverstärkt synchron gleichgerichtet werden. Dadurch können insbesondere keine temperaturbedingten Phasenverschiebungen zwischen dem Empfangssignal und dem Taktsignal des Synchrongleichrichters auftreten.
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Durch die Synchrongleichrichtereinheit SV werden die hochfrequenten primären Empfangssignale, die mit der Arbeitsfrequenz des Sendesignalgenerators moduliert sind in Gleichstromsignale bzw. mit der Rotationsfrequenz des Rotors modulierte niederfrequente Stromsignale umgewandelt, die in der nachgeschalteten Verstärkereinheit VE verstärkt werden. Um verschiedene Störeinflüsse z. B. Spannungseinkopplungen zu unterdrücken arbeitet die Verstärkereinheit VE als Strom-/Spannungswandler. Hierfür weist die Verstärkereinheit VE entsprechende niederohmige Eingänge auf.
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Durch die Strommessung spielen Streukapazitäten weniger eine Rolle und auch die gegenseitige Beeinflussung der Elektroden (Übersprechen) wird verringert. Außerdem ist eine einfache Abschirmung möglich und EMF-Einflüsse können verringert werden.
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Die Auswerteschaltung AS gibt mehrere niederfrequente dreiecksförmige Spannungssignale aus, die gegeneinander phasenverschoben sind. Die Linearität der Dreiecksabschnitte ist durch die Erfindung auch bei hohen Frequenzen gewährleistet.
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Aus diesen Signalen kann mit Hilfe zum Beispiel eines Microcontrollers die aktuelle Position des Rotors sehr genau bestimmt werden.
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Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich einen sehr kompakten kapazitiven Drehgeber der zuverlässig, robust und kostengünstig ist, herzustellen. Die Kapazitätswerte die mit Hilfe der kapazitiven Sensoren liegen im sub Piko Farad-Bereich. Dadurch dass die Arbeitsfrequenz (Trägerfrequenz) des Sendesignalgenerators SG einen großen Abstand zur Rotationsfrequenz des Rotors aufweist (die bis zu 500 Umdrehungen pro Minute liegen kann) sind keine aufwendigen Filter notwendig um die Trägerfrequenz von der Nutzfrequenz zu trennen.
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Wie aus 3 ersichtlich werden die primären Empfangssignale zweier Empfangselektroden EA, EB über einen Synchrongleichrichter (Schaltmultiplexer), der antiparallel geschaltet ist. gleichgerichtet. Da die primären Empfangssignale nur an den Schaltflanken des Sendesignals entstehen, wird das Sendesignal gegenüber dem Taktsignal geringfügig verzögert. Damit wird gewährleistet, dass die einzelnen Schalter des Multiplexers im stromlosen Zustand schalten.
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Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, empfängerseitig unterschiedliche segmentierte Elektrodenringe anzuordnen. Ein äußerer Elektrodenring für eine Feinmessung mit 8 Elektroden und einen inneren Elektrodenring für eine die Grobmessung mit 2 Elektroden.
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Außerdem kann auf eine Referenzelektrode verzichtet werden, in dem die um 90° phasenversetzten Empfangssignale betragsmäßig addiert werden, was aufgrund der guten Linearität der Signale ein Referenzsignal mit einem zeitlich sehr konstanten Pegel ergibt.
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Weicht das Referenzsignal von einem vorgegebenen Wert ab, kann die Arbeitsfrequenz des Sendesignalgenerators vom Mikrocontroller aus entsprechend variiert, um den Sollwert einzuhalten.
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Da wie bereits erwähnt Temperatureinflüsse und Bauteiltoleranzen keine nennenswerte Rolle spielen, kann statt einer sequentiellen eine parallele Signalverarbeitung erfolgen, ohne dass die Genauigkeit der Signalverarbeitung negativ beeinflusst wird.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Drehgeber erfüllte alle Anforderungen die für Anwendungen im Industriebereich bzw. im Automobilbereich gefordert werden: große Robustheit, einfacher Aufbau, geringe Störanfälligkeit, hohe Genauigkeit, Langzeitstabilität, unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen (mindestens –30°C–80°C), geringe Störanfälligkeit EMV, kompakter Aufbau, geringer Platzbedarf und geringes Gewicht. Neben diesen Kriterien ist er auch einfach und kostengünstig herstellbar.
