DE102015207615A1 - Apparatus and method for detecting a rotational position of a rotatable component - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung (100; 200; 300) zum Detektieren einer Drehlage (P) eines drehbaren Bauelements mit verbesserter Kompensation axialer und radialer Fehljustierungen und unrunden Laufs umfasst wenigstens einen wenigstens ein Sensorsignal (UF1, UF2) liefernden induktiven Messaufnehmer (101, 102; 201, 202), wenigstens ein mit dem Bauelement drehbares Lagegeberelement (108; 208; 308) mit in Umfangsrichtung (111) des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichteter, elektrisch leitender Geberspur (110; 210; 310) mit entlang der Umfangsrichtung periodisch variierender, quer dazu gerichteter Erstreckung (112), wobei der Messaufnehmer der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie einen ein Kompensationssignal (UK) liefernden induktiven Kompensationsaufnehmer (120; 220), der der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird, wobei in der Geberspur durch Messaufnehmer und/oder Kompensationsaufnehmer das Sensorsignal und/oder Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind. Ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage mit der Vorrichtung wird vorgeschlagen.A device (100, 200, 300) for detecting a rotational position (P) of a rotatable component with improved compensation for axial and radial misalignments and non-circular travel comprises at least one inductive sensor (101, 102, 201,) supplying at least one sensor signal (UF1, UF2). 202), at least one position-sensitive element (108; 208; 308) rotatable with the component in the circumferential direction (111) of the position-encoder element, having an electrically conductive donor track (110; 210; 310) with a circumferentially varying transversely directed extent along the circumferential direction (112), wherein the sensor of the encoder track at a predetermined distance opposite at least partially covers their extent at each position along the entire circumference of the position sensor element, and a compensating signal (UK) supplying inductive Kompensationsaufnehmer (120; 220), the encoder track at a predetermined distance opposite of this at each position e ntlang the entire circumference of the position sensor element is completely covered, which in the encoder track by sensors and / or compensation sensor, the sensor signal and / or compensation signal influencing eddy currents are inducible. A method for detecting the rotational position with the device is proposed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage des drehbaren Bauelements. The invention relates to a device for detecting a rotational position of a rotatable component. The invention further relates to a method for detecting the rotational position of the rotatable component.
Zum Ansteuern permanenterregter Synchronmaschinen wird eine exakt bestimmte Winkellage vom Rotor zum Stator dieser Maschinen benötigt. Die Winkellage wird durch Sensoren erfasst und elektronischen Leistungsschaltern zum Ansteuern von insbesondere Statorwicklungen übermittelt. Eine Art von Sensoren zum Erfassen der Winkellage arbeitet nach einem Wirbelstromprinzip, bei dem Änderungen einer Induktivität einer Spule ausgewertet werden, die durch Rückwirkung in einem Geberelement von der Spule induzierter Wirbelströme auf die Spule hervorgerufen werden. To drive permanent-magnet synchronous machines, a precisely determined angular position from the rotor to the stator of these machines is required. The angular position is detected by sensors and transmitted to electronic circuit breakers for driving in particular stator windings. One type of sensors for detecting the angular position operates on an eddy current principle, in which changes in an inductance of a coil are evaluated, which are caused by reaction in a donor element from the coil induced eddy currents on the coil.
Aus der Druckschrift
Die beschriebene Anordnung ist jedoch grundsätzlich gegenüber Positionsfehlern des Lagegeberelements
Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer Vorrichtung der beschriebenen Art zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements eine verbesserte Kompensation von Fehljustierungen und unrundem Lauf sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu erreichen. Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage des drehbaren Bauelements zu schaffen, mit dem diese Kompensation von Fehljustierungen und unrundem Lauf erhalten wird. The invention has the object, in a device of the type described for detecting a rotational position of a rotatable component to achieve improved compensation of misalignments and non-round running both in the axial and in the radial direction. The invention further has the object to provide a method for detecting the rotational position of the rotatable component, with the this compensation is obtained from misalignments and out-of-round running.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend:
- • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Sensorsignals eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Sensorspule ausgebildeten, induktiven Messaufnehmer,
- • wenigstens ein mit dem drehbaren Bauelement, insbesondere dem Rotor der elektrische Maschine, drehbares, insbesondere synchron drehbares, Lagegeberelement, welches wenigstens eine in Umfangsrichtung des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichtete, elektrisch leitende Geberspur mit wenigstens einer entlang der Umfangsrichtung periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zu dieser gerichteten Erstreckung aufweist, wobei der wenigstens eine Messaufnehmer der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren variierende Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie
- • wenigstens einen zum Liefern wenigstens eines Kompensationssignals eingerichteten, insbesondere mit wenigstens einer Kompensationsspule ausgebildeten, induktiven Kompensationsaufnehmer, der der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird,
- • wobei in der Geberspur durch den wenigstens einen Messaufnehmer und/oder den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer das wenigstens eine Sensorsignal und/oder das wenigstens eine Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind.
- At least one inductive sensor configured to provide at least one sensor signal, in particular with at least one sensor coil,
- • At least one with the rotatable component, in particular the rotor of the electric machine, rotatable, in particular synchronously rotatable, position encoder element, which at least one in the circumferential direction of the position sensor element circumferentially aligned thereto, electrically conductive encoder track with at least one periodically varying along the circumferential direction, at least substantially transverse has to this directed extent, wherein the at least one sensor of the at least one encoder track at a predetermined distance opposite at least partially covers the varying extent at each position along the entire circumference of the position sensor element, and
- At least one inductive Kompensationsaufnehmer configured to provide at least one compensation signal, in particular with at least one compensation coil, which is completely covered by the at least one encoder track at a predetermined distance opposite it at any position along the entire circumference of the position sensor element,
- Wherein the at least one sensor and / or the at least one compensating signal influencing eddy currents can be induced in the encoder track by the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das drehbare Bauelement, dessen Drehlage detektiert werden soll, mit dem Lagegeberelement derart verbunden, dass beide eine zueinander streng korrelierte Drehung ausführen. Dies kann über eine Übersetzung, z.B. eines Getriebes, bevorzugt aber durch eine unmittelbare, starre Verbindung erfolgen. Das Lagegeberelement ist mit wenigstens einer umlaufenden, insbesondere entlang seines Umfangs umlaufenden, Geberspur ausgebildet, die elektrisch leitfähig ist. Die wenigstens eine Geberspur weist eine entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements, d.h. entlang einer Bewegungsrichtung, bevorzugt Drehrichtung, des Lagegeberelements periodisch variierende Erstreckung auf. Diese Erstreckung ist wenigstens im Wesentlichen quer zu der Umfangsrichtung des Lagegeberelements angeordnet, d.h. sie weist bezüglich einer Drehrichtung des Lagegeberelements in axiale und/oder radiale Richtung, soweit sie einen Beitrag zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Merkmale liefert. Der wenigstens eine Messaufnehmer ist der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend angeordnet, insbesondere ist er fest angeordnet. Dabei ist die Position des wenigsten einen Messaufnehmers derart festgelegt, dass der wenigstens eine Messaufnehmer die entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements variierende Erstreckung der wenigstens einen Geberspur an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements, d.h. in jeder Drehlage des Lagegeberelements, wenigstens teilweise überdeckt. Beim Ausführen einer Drehung des Lagegeberelements variiert diese Überdeckung gemäß der Variation der Erstreckung der wenigstens einen Geberspur, so dass der Grad dieser Überdeckung ein Maß für die zu detektierende Drehlage ist. Der wenigstens eine Messaufnehmer ist als induktiver Messaufnehmer, insbesondere mit wenigstens einer Sensorspule, ausgebildet. Wird in der dem wenigstens einen Messaufnehmer gegenüberliegenden Geberspur ein Wirbelstrom hervorgerufen, bewirkt dieser eine Änderung einer Impedanz, insbesondere einer Induktivität, des wenigstens einen Messaufnehmers. Diese Änderung ist abhängig vom vorbezeichneten Grad der Überdeckung zwischen der wenigstens einen Geberspur und dem wenigstens einen Messaufnehmer. Ein Messwert dieser Änderung der Impedanz oder ein durch die Änderung der Impedanz, insbesondere der Induktivität, hervorgerufene Strom oder Spannungsänderung bildet das wenigstens eine Sensorsignal, zu dessen Liefern der wenigstens eine Messaufnehmer eingerichtet ist. In the device according to the invention, the rotatable component, whose rotational position is to be detected, connected to the position encoder element such that both perform a mutually strictly correlated rotation. This can be done via a translation, e.g. a transmission, but preferably done by a direct, rigid connection. The position sensor element is formed with at least one circumferential, in particular circumferential along its circumference, encoder track, which is electrically conductive. The at least one encoder track has one along the circumferential direction of the positioner element, i. along a direction of movement, preferably the direction of rotation, of the position sensor element periodically varying extent. This extension is at least substantially transverse to the circumferential direction of the position-sensing element, i. it points in the axial and / or radial direction with respect to a direction of rotation of the position sensor element, as far as it provides a contribution to the formation of the features according to the invention. The at least one sensor is arranged opposite the at least one encoder track at a predetermined distance, in particular it is fixedly arranged. In this case, the position of the at least one sensor is set such that the at least one sensor has the extent of the at least one sensor track varying along the circumferential direction of the position sensor element at any position along the entire circumference of the position sensor element, i. in each rotational position of the position sensor element, at least partially covered. When performing a rotation of the position sensor element, this overlap varies according to the variation of the extent of the at least one encoder track, so that the degree of this overlap is a measure of the rotational position to be detected. The at least one sensor is designed as an inductive sensor, in particular with at least one sensor coil. If an eddy current is produced in the encoder track opposite the at least one sensor, this causes a change in an impedance, in particular an inductance, of the at least one sensor. This change is dependent on the aforementioned degree of overlap between the at least one encoder track and the at least one sensor. A measured value of this change in the impedance or a current or voltage change caused by the change in the impedance, in particular the inductance, forms the at least one sensor signal to whose delivery the at least one sensor is set up.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner wenigstens ein, insbesondere mit wenigstens einer Kompensationsspule ausgebildeter, induktiver Kompensationsaufnehmer vorgesehen. Der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer ist ebenfalls der wenigstens einen Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend fest positioniert. Allerdings ist die Positionierung des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers abweichend von derjenigen des wenigstens einen Messaufnehmers nun so vorgenommen, dass der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer von der wenigstens einen Geberspur an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements, d.h. in jeder Drehlage des Lagegeberelements, vollständig überdeckt wird. Der Grad der Überdeckung und damit der Einfluss von in der wenigstens einen Geberspur hervorgerufenen Wirbelströmen ist somit von der Drehlage unabhängig. Eine Änderung einer Impedanz, insbesondere Induktivität, des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers durch eine Bewegung der wenigstens einen Geberspur tritt nur auf, wenn sich mit dieser Bewegung, d.h. der Drehung des Lagegeberelements, der vorbestimmte Abstand zwischen Geberspur und Kompensationsaufnehmer ändert. Ein auf gleiche Weise wie aus dem wenigstens einen Messaufnehmer gewonnenes Messsignal, das hier als Kompensationssignal bezeichnet ist, stellt somit ein Maß für die Änderung des vorbestimmten Abstands, d.h. für ein Unrundlaufen bzw. einen Schlag, des Lagegeberelements dar. Da das Lagegeberelement dasselbe Unrundlaufen, d.h. denselben Schlag, auch gegenüber dem wenigstens einen Messaufnehmer aufweist, ist das wenigstens eine Kompensationssignal ein direktes Maß für Fehler im wenigstens einen Sensorsignal und kann zum Kompensieren dieser Fehler unmittelbar herangezogen werden. In the device according to the invention at least one, in particular with at least one compensation coil formed, inductive Kompensationsaufnehmer is also provided. The at least one compensation sensor is also firmly positioned opposite the at least one encoder track at a predetermined distance. However, the positioning of the at least one Kompensationsaufnehmers different from that of the at least one sensor now made so that the at least one Kompensationsaufnehmer of the at least one encoder track at each position along the entire circumference of the position sensor element, that is completely covered in each rotational position of the position sensor element. The degree of overlap and thus the influence of induced in the at least one encoder track eddy currents is thus independent of the rotational position. A change in an impedance, in particular inductance, of the at least one compensation pickup due to a movement of the at least one pickup track only occurs if the predetermined distance between the pickup track and the pickup element is determined by this movement, ie the rotation of the position sensor element Compensation sensor changes. A measurement signal obtained in the same way as from the at least one sensor, which is here referred to as a compensation signal, thus represents a measure of the change of the predetermined distance, ie for a runout, of the position sensor element. ie has the same impact, even with respect to the at least one sensor, the at least one compensation signal is a direct measure of errors in at least one sensor signal and can be used directly to compensate for these errors.
Anders formuliert tastet der wenigstens eine Messaufnehmer sowohl die periodisch variierenden Erstreckungen der wenigstens einen Geberspur und damit die Drehlage des Lagegeberelements als auch die Lageabweichungen der wenigstens einen Geberspur ab, wobei die Lageabweichungen das wenigstens eine Sensorsignal verfälschen. Dahingegen tastet der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer ausschließlich die Lageabweichungen der Geberspur ab. Mit Hilfe des wenigstens eine Kompensationssignals können die Fehler aus dem wenigstens einen Sensorsignal unmittelbar eliminiert werden, wodurch auf einfache Weise eine hohe Messgenauigkeit bei der Detektion der Drehlage erhalten wird. In other words, the at least one sensor scans both the periodically varying extents of the at least one encoder track and thus the rotational position of the position sensor element as well as the position deviations of the at least one encoder track, the position deviations falsifying the at least one sensor signal. On the other hand, the at least one compensation sensor scans exclusively the position deviations of the encoder track. With the aid of the at least one compensation signal, the errors from the at least one sensor signal can be eliminated directly, whereby a high measurement accuracy in the detection of the rotational position is easily obtained.
Dabei ist es möglich, z.B. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Anordnung zu kombinieren, wie sie in der Druckschrift
Die Erfindung ermöglicht somit eine einfache, platzsparende, robuste, kostengünstige und unmittelbare Fehlerkompensation bei Drehgebern, die vorteilhaft in der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik einsetzbar ist, insbesondere bei Synchronmaschinen, bevorzugt bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen. The invention thus enables a simple, space-saving, robust, cost-effective and immediate error compensation with rotary encoders, which can be used advantageously in motor vehicle drive technology, in particular in synchronous machines, preferably in permanent magnet synchronous machines.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Geberspur
- • wenigstens einen ersten Bereich mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements gleichförmiger Gestaltung, insbesondere mit wenigstens einer, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichteten, entlang der Umfangsrichtung gleichförmigen Erstreckung, sowie
- • wenigstens einen zweiten Bereich mit entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierender Gestaltung, insbesondere mit der wenigstens einen entlang der Umfangsrichtung periodisch variierenden, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichteten Erstreckung.
- At least one first region with a uniform configuration along the entire circumference of the position-determining element, in particular with at least one extension that is uniform along the circumferential direction, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position-determining element, and
- At least one second region with a configuration varying periodically along the entire circumference of the position-determining element transversely to the circumferential direction of the position-determining element, in particular with the at least one extension that varies periodically along the circumferential direction and extends at least substantially transversely to the circumferential direction of the position-determining element.
Bevorzugt sind beide Bereiche wenigstens nahezu unmittelbar aneinandergrenzend entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements, d.h. entlang dessen Bewegungsrichtung, bevorzugt Drehrichtung, um das gesamte Lagegeberelement herum, insbesondere an oder in wenigstens nahezu unmittelbarer Nachbarschaft des Umfangs des Lagegeberelements, geführt, bevorzugt streifenförmig. Die Bereiche können dabei quer zur Umfangsrichtung bzw. Drehrichtung eine flächige Erstreckung rechtwinklig zu einer Drehachse des Lagegeberelements, d.h. eine Erstreckung in radialer Richtung, aufweisen, oder sie können sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse, erstrecken. Insbesondere der erste Bereich kann sich auch teilweise radial, teilweise axial erstrecken; z.B. kann er einen ringförmigen Streifen radialer Erstreckung und – bevorzugt daran angrenzend – einen zylindermantelförmigen Streifen axialer Erstreckung quer zur Drehrichtung aufweisen. Gegenüber jedem der Streifen kann dann je ein induktiver Kompensationsaufnehmer angeordnet sein, so dass sowohl ein axialer Schlag als auch ein radialer Schlag des Lagegeberelements erfassbar ist. Auch der zweite Bereich kann wahlweise eine axiale oder radiale Erstreckung aufweisen. Damit ist eine große Flexibilität in der Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben. Preferably, both regions are at least almost contiguous along the circumferential direction of the position-sensing element, i. along its direction of movement, preferably the direction of rotation, around the entire position-determining element, in particular at or in at least almost immediate vicinity of the circumference of the position-determining element, guided, preferably strip-shaped. The areas can thereby transverse to the circumferential direction or direction of rotation, a planar extension perpendicular to a rotational axis of the position sensor element, i. have an extent in the radial direction, or they may extend in the axial direction, i. in the direction of the axis of rotation, extend. In particular, the first region may also extend partially radially, partially axially; e.g. it may have an annular strip of radial extension and - preferably adjacent thereto - a cylinder jacket-shaped strip axial extent transverse to the direction of rotation. An inductive compensation sensor can then be arranged opposite each of the strips, so that both an axial impact and a radial impact of the position-determining element can be detected. Also, the second region may optionally have an axial or radial extent. This provides great flexibility in the construction of the device according to the invention.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung überdeckt der wenigstens eine Messaufnehmer in vorbestimmtem Abstand der wenigstens einen Geberspur gegenüberliegend deren wenigsten einen zweiten Bereich an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise. Diese wenigstens teilweise Überdeckung des zweiten Bereichs ist derart ausgebildet, dass der wenigstens eine Messaufnehmer die Variationen der Erstreckung des zweiten Bereichs entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements hinreichend, bevorzugt vollständig, erfasst. Besonders vorteilhaft ist eine völlige Überdeckung des zweiten Bereichs durch den wenigstens einen Messaufnehmer. Eine Überdeckung des ersten Bereichs ist dagegen nicht notwendig und daher nicht in jedem Fall vorgesehen. In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one sensor covers at least a predetermined distance of the at least one encoder track opposite at least partially a second region at each position along the entire circumference of the position sensor element. This at least partial overlap of the second region is formed such that the at least one sensor sufficiently, preferably completely, detects the variations of the extent of the second region along the circumferential direction of the position-determining element. Particularly advantageous is a complete coverage of the second area by the at least one sensor. A Overlapping of the first area, however, is not necessary and therefore not always provided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der wenigstens eine Kompensationsaufnehmer von dem wenigsten einen ersten Bereich der wenigstens einen Geberspur dieser in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt. Durch die Überdeckung, die unabhängig von der Drehlage des Lagegeberelements stets dieselbe ist, werden Einflüsse von Variationen der Erstreckung der Geberspur auf den wenigstens einen Kompensationsaufnehmer einfach zuverlässig ausgeschlossen und wird somit die Erzeugung des wenigstens einen Kompensationssignals ausschließlich in Abhängigkeit vom Einfluss eines Schlags des Lagegeberelements sichergestellt. In accordance with a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one compensation sensor is completely covered by at least one first area of the at least one encoder track opposite it at a predetermined distance at each position along the entire circumference of the position-determining element. Due to the overlap, which is always the same regardless of the rotational position of the position sensor element, influences of variations of the extension of the encoder track on the at least one Kompensationsaufnehmer are simply reliably excluded and thus the generation of the at least one compensation signal is ensured exclusively in response to the influence of a shock of the position sensor element ,
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung variiert die entlang des Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierende Gestaltung der Geberspur, insbesondere deren wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichtete Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs der wenigstens einen Geberspur, entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements wenigstens nahezu sinusförmig, und der wenigstens eine Messaufnehmer überdeckt diese Gestaltung, insbesondere diese Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs, der wenigstens einen Geberspur im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements an jeder Position entlang dessen gesamten Umfangs vollständig. Durch eine solche sinusförmige oder wenigstens nahezu sinusförmige Gestaltung der wenigstens einen Geberspur ist auf einfache Weise mit dem wenigstens einen Messaufnehmer wenigstens ein wenigstens nahezu sinusförmiges Sensorsignal erzeugbar. Insbesondere sind dabei zwei um einen Phasenwinkel der periodisch variierenden Gestaltung der wenigstens einen Geberspur von 90° entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements gegeneinander versetzt angeordnete Messaufnehmer vorgesehen, die bei einer Bewegung des Lagegeberelements zwei gegeneinander um einen Phasenwinkel von 90° zeitlich versetzte Sensorsignale liefern, auch als Sinussignal und Cosinussignal bezeichnet. Aus diesen lässt sich besonders einfach und zuverlässig die Drehlage des Lagegeberelements bestimmen.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention along the circumference of the position sensor element varies transversely to the circumferential direction of the position encoder element periodically varying design of the encoder track, in particular whose at least one along the circumferential direction periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position sensor element directed extension, in particular at least a second region of the at least one encoder track, along the circumferential direction of the position sensor element at least almost sinusoidal, and the at least one sensor covers this design, in particular this extension, in particular the at least one second region, the at least one encoder track substantially transverse to the circumferential direction of the position sensor element at each Position completely along its entire circumference. By means of such a sinusoidal or at least nearly sinusoidal design of the at least one encoder track, at least one at least approximately sinusoidal sensor signal can be generated in a simple manner with the at least one sensor. In particular, two are provided offset by a phase angle of the periodically varying design of the at least one encoder track of 90 ° along the circumferential direction of the position sensor offset from each other sensors that provide two mutually offset by a phase angle of 90 ° sensor signals when moving the position sensor element, as Sinusoidal signal and cosine signal. From these, the rotational position of the position-determining element can be determined in a particularly simple and reliable manner.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung variiert die entlang des Umfangs des Lagegeberelements quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements periodisch variierende Gestaltung der Geberspur, insbesondere die wenigstens eine entlang der Umfangsrichtung periodisch variierende, wenigstens im Wesentlichen quer zur Umfangsrichtung des Lagegeberelements gerichtete Erstreckung, insbesondere des wenigstens einen zweiten Bereichs der wenigstens einen Geberspur, entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements wenigstens nahezu sprungartig periodisch. Die Geberspur ist hier besonders einfach gestaltet. Besonders bevorzugt kann dabei eine Überdeckung zwischen der wenigstens einen Geberspur und dem wenigstens einen Messaufnehmer, die zwischen einer vollständigen Überdeckung und einem vollständigen Freiliegen des wenigstens einen Messaufnehmers, d.h. vollständigem Fehlen jeglicher Überdeckung, variiert. Vorteilhaft kann dazu der erste Bereich der wenigstens einen Geberspur gleichförmig entlang der Umfangsrichtung des Lagegeberelements ausgebildet sein, wohingegen der zweite Bereich sprungartig gestaltete, vollständige Unterbrechungen aufweist in der Art einer sogenannten Chopper- bzw. Zerhackerscheibe. According to another embodiment of the device according to the invention along the circumference of the position sensor element varies transversely to the circumferential direction of the position encoder element periodically varying design of the encoder track, in particular the at least one along the circumferential direction periodically varying, at least substantially transversely to the circumferential direction of the position sensor element directed extension, in particular of the at least one second region of the at least one encoder track, along the circumferential direction of the position sensor element at least almost abruptly periodically. The encoder track is particularly simple here. In this case, an overlap between the at least one encoder track and the at least one sensor, which between a complete coverage and a complete exposure of the at least one sensor, that is to say a full coverage, may be particularly preferred. complete lack of any coverage varies. Advantageously, for this purpose, the first region of the at least one encoder track can be formed uniformly along the circumferential direction of the position sensor element, whereas the second region has sudden, complete interruptions in the manner of a so-called chopper or chopper disc.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der wenigstens eine Messaufnehmer und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers axial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur entlang einer zum drehbaren Bauelement und damit zum Lagegeberelement radial ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann vorteilhaft ein axialer Schlag des Lagegeberelements detektiert und kompensiert werden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der wenigstens eine Messaufnehmer und/oder wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers radial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet, wobei bevorzugt die wenigstens eine Geberspur entlang einer koaxial in Umfangsrichtung des Lagegeberelements ausgerichteten Fläche angeordnet ist. Mit dieser Anordnung kann vorteilhaft ein radialer Schlag des Lagegeberelements detektiert und kompensiert werden. Bevorzugt kann ferner bei den beiden vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen wenigstens einer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers axial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet sein und kann wenigstens ein weiterer des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers radial gegenüber dem Lagegeberelement angeordnet sein. Dadurch wird auf einfache Weise eine Kompensation sowohl von radial als auch von axial unrundem Lauf, d.h. sowohl von radialem als auch von axialem Schlag, des Lagegeberelements ermöglicht. In a preferred refinement of the device according to the invention, the at least one sensor and / or at least one of the at least one compensation sensor are arranged axially relative to the position sensor element, wherein the at least one sensor track is preferably arranged along a surface oriented radially relative to the rotatable component and thus to the position sensor element. With this arrangement, advantageously, an axial impact of the position sensor element can be detected and compensated. According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the at least one sensor and / or at least one of the at least one compensation sensor are arranged radially relative to the position sensor element, whereby preferably the at least one sensor track is arranged along a surface aligned coaxially in the circumferential direction of the position sensor element. With this arrangement, a radial impact of the position sensor element can advantageously be detected and compensated. In addition, in the case of the two embodiments described above, at least one of the at least one compensation pickup can preferably be arranged axially with respect to the position-determining element, and at least one further of the at least one compensation pickup can be arranged radially with respect to the position-determining element. This easily compensates for both radially and axially non-circular travel, i. allows both radial and axial impact, the position sensor element.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Speisen des wenigstens einen Messaufnehmers und/oder des wenigstens einen Kompensationsaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, zum Ableiten des wenigstens einen Sensorsignals und/oder des wenigstens einen Kompensationssignals aus dem wenigstens einen Messaufnehmer und/oder dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer und zum Gewinnen eines die Drehlage wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals. Mit derartigen Erregerströmen und/oder -spannungen können die veränderlichen Impedanzen, insbesondere Induktivitäten, der Mess- bzw. der Kompensationsaufnehmer besonders einfach und präzise ermittelt und so die Sensor- bzw. Kompensationssignale gewonnen werden. A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized by a control device for feeding the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular an alternating current and / or an alternating voltage, for deriving the at least one sensor signal and / or the at least one compensation signal from the at least one sensor and / or the at least one compensation sensor and for obtaining a the rotational position reproducing error-compensated signal. With such excitation currents and / or voltages, the variable impedances, in particular inductances, of the measuring or compensating transducers can be determined in a particularly simple and precise manner and thus the sensor or compensation signals can be obtained.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte:
- • Speisen wenigstens eines Messaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung,
- • Speisen wenigstens eines Kompensationsaufnehmers mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung,
- • Ableiten wenigstens eines Sensorsignals aus dem wenigstens einen Messaufnehmer,
- • Ableiten wenigstens eines Kompensationssignals aus dem wenigstens einen Kompensationsaufnehmer,
- • Korrigieren des wenigstens eines Sensorsignals mit dem wenigstens einen Kompensationssignal und dadurch Gewinnen wenigstens eines korrigierten Sensorsignals,
- • Bilden eines die Drehlage wiedergebenden, fehlerkompensierten Signals aus dem wenigstens einen korrigierten Sensorsignal.
- Feeding at least one measuring transducer with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage,
- Feeding at least one compensation sensor with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage,
- Deriving at least one sensor signal from the at least one sensor,
- Deriving at least one compensation signal from the at least one compensation sensor,
- Correcting the at least one sensor signal with the at least one compensation signal and thereby obtaining at least one corrected sensor signal,
- • Forming a rotational position reproducing, error-compensated signal from the at least one corrected sensor signal.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise eine präzise, fehlerkorrigierte Detektion der Drehlage des Bauelements. The method according to the invention enables in a simple manner a precise, error-corrected detection of the rotational position of the component.
Zusammengefasst wird durch die Erfindung somit insbesondere eine Vorrichtung zum Detektieren einer Drehlage eines drehbaren Bauelements mit verbesserter Kompensation axialer und radialer Fehljustierungen und unrunden Laufs geschaffen, die wenigstens einen wenigstens ein Sensorsignal liefernden induktiven Messaufnehmer, wenigstens ein mit dem Bauelement drehbares Lagegeberelement mit in Umfangsrichtung des Lagegeberelements daran umlaufend ausgerichteter, elektrisch leitender Geberspur mit entlang der Umfangsrichtung periodisch variierender, quer dazu gerichteter Erstreckung, wobei der Messaufnehmer der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend deren Erstreckung an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements wenigstens teilweise überdeckt, sowie einen ein Kompensationssignal liefernden induktiven Kompensationsaufnehmer, der der Geberspur in vorbestimmtem Abstand gegenüberliegend von dieser an jeder Position entlang des gesamten Umfangs des Lagegeberelements vollständig überdeckt wird, umfasst, wobei in der Geberspur durch Messaufnehmer und/oder Kompensationsaufnehmer das Sensorsignal und/oder Kompensationssignal beeinflussende Wirbelströme induzierbar sind. Ein Verfahren zum Detektieren der Drehlage mit dieser Vorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen. In summary, the invention thus provides, in particular, an apparatus for detecting a rotational position of a rotatable component with improved compensation of axial and radial misalignments and non-circular barrel, comprising at least one inductive sensor providing at least one sensor signal, at least one position encoder element rotating in the circumferential direction of the position encoder element circumferentially oriented, electrically conductive donor track along the circumferential direction periodically varying, transversely directed extension, the sensor of the encoder track at a predetermined distance opposite their extent at each position along the entire circumference of the position sensor element at least partially covers, and a compensating signal supplying inductive Kompensationsaufnehmer that of the encoder track at a predetermined distance opposite from this at any position along the entire circumference of the Lagegeberele is covered completely, wherein in the encoder track by the sensor and / or Kompensationsaufnehmer the sensor signal and / or compensation signal influencing eddy currents are inducible. A method for detecting the rotational position with this device is also proposed.
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen: In the drawing, in which matching elements in all figures are given the same reference numerals and to which a repeated description of these elements is omitted, show:
Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben. The embodiments of the invention shown in the drawing will be described in more detail below.
In
Die Sensorsignale UF1, UF2 zeigen eine mit der Drehlage P schwankende Amplitude. Diese als Amplitudenmodulation auftretende Störung der Sensorsignale UF1, UF2 rührt von einem unrunden Lauf, d.h. Schlag, des Lagegeberelements und dadurch hervorgerufenen Schwankungen der Abstände zwischen den Messaufnehmern und dem Lagegeberelement her. The sensor signals UF1, UF2 show an amplitude that fluctuates with the rotational position P. This disturbance of the sensor signals UF1, UF2 occurring as amplitude modulation results from a non-round run, i. Shock, the position sensor element and thereby caused fluctuations in the distances between the sensors and the position sensor element ago.
Daraus ergeben sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Drehlage P aus den Verläufen der Sensorsignale UF1, UF2. This results in inaccuracies in the determination of the rotational position P from the courses of the sensor signals UF1, UF2.
Der Kompensationsaufnehmer
- • Im ersten Schritt werden die
Messaufnehmer 101 ,102 mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung gespeist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen Wechselstrom und/oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die größer als, insbesondere groß gegen, die Frequenz – auch als elektrische Frequenz bezeichnet – ist, mit der imBetrieb der Vorrichtung 100 die periodischen Variationen derErstreckung 112 der Geberspur 110 anden Messaufnehmern 101 ,102 vorbeigeführt werden. - • In einem zweiten Schritt wird in vergleichbarer
Weise der Kompensationsaufnehmer 120 mit einem Erregerstrom und/oder einer Erregerspannung, insbesondere mit einem Wechselstrom und/oder einer Wechselspannung, gespeist. - • Im dritten Schritt werden die – noch fehlerbehafteten – Sensorsignale UF1, UF2 aus
den Messaufnehmern 101 ,102 abgeleitet. - • Entsprechend wird im vierten Schritt das Kompensationssignal UK
aus dem Kompensationsaufnehmer 120 abgeleitet. - • Im fünften Schritt werden die fehlerbehafteten Sensorsignale UF1, UF2 mit dem Kompensationssignal UK korrigiert bzw. normiert oder fehlerkompensiert. Diese
Normierung 130 kann durch additive oder multiplikative Verknüpfung der fehlerbehafteten Sensorsignale UF1, UF2 mit dem Kompensationssignal UK erfolgen. Dadurch werden ein erstes bzw. ein zweites korrigiertes Sensorsignal UKS1, UKS2 gewonnen. - • Im letzten Schritt wird das die Drehlage P wiedergebende, fehlerkompensierte Signal aus den beiden korrigierten Sensorsignalen UKS1, UKS2 gebildet.
- • The first step will be the
sensors 101 .102 supplied with an excitation current and / or an excitation voltage. These are, in particular, an alternating current and / or an alternating voltage having a frequency which is greater than, in particular large, the frequency - also referred to as electrical frequency - with which during operation of thedevice 100 the periodic variations ofextension 112 theencoder track 110 at thesensors 101 .102 be passed. - • In a second step, the compensation sensor becomes comparable
120 with an excitation current and / or an excitation voltage, in particular with an alternating current and / or an alternating voltage fed. - • In the third step, the - still faulty - sensor signals UF1, UF2 from the
sensors 101 .102 derived. - • Accordingly, in the fourth step, the compensation signal UK from the
compensation sensor 120 derived. - In the fifth step, the error-prone sensor signals UF1, UF2 are corrected or normalized or error-compensated with the compensation signal UK. This
standardization 130 can be done by additive or multiplicative linkage of the faulty sensor signals UF1, UF2 with the compensation signal UK. As a result, a first or a second corrected sensor signal UKS1, UKS2 are obtained. - In the last step, the error-compensated signal representing the rotational position P is formed from the two corrected sensor signals UKS1, UKS2.
In
Ein erster –
Ein Kompensationsaufnehmer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P Device for detecting the rotational position P
- 101101
-
Erster Messaufnehmer (Sinusspur) von
100 First sensor (sinus track) of100 - 102102
-
Zweiter Messaufnehmer (Cosinusspur) von
100 Second sensor (Cosine track) of100 - 103103
-
Sensorspule von
101 Sensor coil of101 - 104104
-
Sensorspule von
102 Sensor coil of102 - 108108
-
Lagegeberelement von
100 Positioning element of100 - 110110
-
Geberspur von
108 Encoder track of108 - 111111
-
Umfangsrichtung von
108 ,208 ,308 Circumferential direction of108 .208 .308 - 112112
-
Gestaltung bzw. Erstreckung von
110 Design or extension of110 - 113113
-
Erste sinusförmige Berandung von
110 First sinusoidal boundary of110 - 114114
-
Zweite sinusförmige Berandung von
110 , gegenläufig zu113 Second sinusoidal boundary of110 , inopposite directions 113 - 120120
-
Kompensationsaufnehmer von
100 Compensation sensor of100 - 121121
-
Kompensationsspule von
120 Compensation coil of120 - 130130
- Normierung von UF1, UF2 mit UK zu UKS1, UKS2 Standardization of UF1, UF2 with UK to UKS1, UKS2
- 200200
- Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P Device for detecting the rotational position P
- 201201
-
Erster Messaufnehmer (Sinusspur) von
200 ,300 First sensor (sinus track) of200 .300 - 202202
-
Zweiter Messaufnehmer (Cosinusspur) von
200 ,300 Second sensor (Cosine track) of200 .300 - 205205
-
Rotationsachse von
208 ,308 Rotation axis of208 .308 - 208208
-
Lagegeberelement von
200 Positioning element of200 - 210210
-
Geberspur von
208 Encoder track of208 - 211211
-
Erster Bereich von
210 : gleichförmig First area of210 : uniform - 212212
-
Zweiter Bereich von
210 ,310 : periodisch variierendSecond area of210 .310 : periodically varying - 220220
-
Kompensationsaufnehmer von
200 ,300 Compensation sensor of200 .300 - 300300
- Vorrichtung zum Detektieren der Drehlage P Device for detecting the rotational position P
- 308308
-
Lagegeberelement von
300 Positioning element of300 - 310310
-
Geberspur von
308 Encoder track of308 - 311311
-
Erster Bereich von
310 : gleichförmigFirst area of310 : uniform - 500500
- Rotationsmaschine rotary engine
- 501501
- Stator stator
- 502502
- Rotor rotor
- 503503
- Rotationsachse the rotation axis
- 510510
- Winkelpositionssensorsystem Angular position sensor system
- 520520
-
Lagegeberelement von
510 Positioning element of510 - 521521
-
Geberspur von
520 Encoder track of520 - 522522
-
Grundkörper von
520 Basic body of520 - 523523
-
In lateraler, d.h. radialer Richtung variierender Rand von
521 In a lateral, ie radial, varying edge of521 - 524524
-
Kreisförmiger Rand von
521 Circular edge of521 - 525525
-
Breite von
521 Width of521 - 526526
-
Größte Breite von
521 Largest width of521 - 527527
-
Geringste Breite von
521 Smallest width of521 - 530530
-
Spulenanordnung von
510 Coil arrangement of510 - 531531
-
Erste Sensorspule von
530 First sensor coil of530 - 532532
-
Zweite Sensorspule von
530 Second sensor coil of530 - 533533
-
Dritte Sensorspule von
530 Third sensor coil of530 - 534534
-
Vierte Sensorspule von
530 Fourth sensor coil of530 - 535535
-
Axialer Abstand zwischen
530 und521 von520 Axial distance between530 and521 from520 - 536536
-
Radiale Abmessung von
531 bis534 Radial dimension of531 to534 - 537537
-
Radiale Fehljustierung von
520 Radial misalignment of520 - PP
- Drehlage rotational position
- UF1UF1
-
Erstes Sensorsignal von
101 (Sinussignal), fehlerbehaftet First sensor signal from101 (Sinusoidal signal), faulty - UF2UF2
-
Zweites Sensorsignal von
102 (Cosinussignal), fehlerbehaftet Second sensor signal from102 (Cosine signal), faulty - UKUK
-
Kompensationssignal von
120 Compensation signal from120 - UKS1UKS1
-
Erstes Sensorsignal aus UF1 von
101 (Sinussignal), korrigiert First sensor signal from UF1 of101 (Sinusoidal signal), corrected - UKS2UKS2
-
Zweites Sensorsignal aus UF2 von
102 (Cosinussignal), korrigiert Second sensor signal from UF2 of102 (Cosine signal), corrected
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H02K0024000000 Ipc: G01B0007300000 |
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