DE10233154A1

DE10233154A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10233154A1
Application number: DE2002133154
Authority: DE
Inventors: Angelika Dr. Abeln; Rolf Dr. Disselnkötter; Andreas Dr. Kahnert
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, bestehend aus einem auf einer Welle (2) befestigten, drehbaren Datenträger (5) mit einer Informationsspur (1) und einer optischen Abtasteinrichtung (3) zur Abtastung der Informationsspur (1), die an eine Auswerteeinheit (4) angeschlossen ist. Die Informationsspur (1) des Datenträgers (5) weist eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche auf. Die Abtasteinrichtung (3) ist eine Bilderfassungseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor. Derartige Sensoren werden regelmäßig in der Fabrikautomation, Instrumentierung oder Prozeßkontrolle für die Steuerungen von Stellantrieben, die automatische Ablesung mechanischer Anzeigegeräte, zur Bestimmung der Wellenposition von Maschinen sowie für Regelungen im Robotik-Bereich eingesetzt.

Derartige Drehwinkelsensoren sind in unterschiedlichen Ausführungen, Meßbereichen, Auflösungen und Genauigkeiten, sowohl als Absolut- als auch als Inkrementalgeber bekannt.

In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich werden unterschiedliche Prinzipien der Drehwinkelmessung eingesetzt. Ein bekanntes analoges Verfahren ist beispielsweise die Resolver-Methode, bei der das von einem magnetischen Dipol oder einem mehrpoligen, wechselstromerregten Rotor erzeugte Magnetfeld von zwei orthogonal angeordneten Magnetfeldsensoren oder Statorwicklungen nach der Sinus-Kosinus-Methode ausgewertet wird. Andere analoge Verfahren verwenden kapazitive oder potentiometrische Prinzipien.

Nach analogen Verfahren arbeitende Drehwinkelsensoren sind regelmäßig von einfachem Aufbau und robust und damit unempfindlich gegenüber industriellen Umgebungseinflüssen wie Verschmutzungen oder Temperaturänderung. Nachteilig ist jedoch deren begrenzte Meßgenauigkeit. Soweit überhaupt eine ausreichend hohe Genauigkeit erreichbar ist, erfordert diese einen aufwendigen Abgleich und/oder manuelle Justage. Darüber hinaus ist der Meßbereich regelmäßig auf weniger als den Vollkreis eingeschränkt.

Bekannte digitale Sensoren weisen üblicherweise eine auf einer Achse befestigte, drehbare Kodescheibe auf, auf der die Winkelinformation längs des Umfangs in radial angeordneten Bitmustern, die typischerweise dem Gray-Kode folgen, oder im Fall der Inkrementalgeber als radiales Streifenmuster kodiert ist. Die Winkelinformation wird stellungsabhängig von einem feststehenden, optischen Lesekopf, der aus einer Anordnung von mehreren Sensoren bestehen kann, gelesen, und von einer Elektronik in ein winkelproportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal umgewandelt. Zur Erzielung einer hohen mechanischen Genauigkeit werden die Winkelscheiben aus Glas oder einem formbeständigen, transparenten Kunststoff hergestellt. Als Informationsträger wird eine auf die Oberfläche aufgebrachte, intransparente Schicht verwendet, die entweder lithographisch, durch Belichten und Entwickeln einer Photolackschicht und anschließendes chemisches Ätzen, strukturiert oder aufgedruckt wird. Die Information wird unter Verwendung gebündelten, sichtbaren oder infraroten Lichtes in Transmission gelesen.

Mit digitalen Sensoren sind hohe Meßgenauigkeiten erreichbar. Nachteiligerweise ist jedoch die Herstellung der Kode- und Teilerscheiben sehr aufwendig und für eine Massenfertigung wenig geeignet. Glasscheiben haben darüber hinaus den Nachteil, daß sie empfindlich gegenüber starken Erschütterungen, und aufgrund ihrer großen Wärmekapazität auch gegen Betauung sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor anzugeben, der die Nachteile bekannter Drehwinkelsensoren überwindet, der die hohe Genauigkeit digitaler Drehwinkelsensoren aufweist und für eine digitale Signalverarbeitung geeignet ist, und einen hierzu geeigneten Datenträger anzugeben, der eine preiswerte Massenfertigung desselben erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von einem Drehwinkelsensor aus, der aus einem auf einer Achse befestigten, drehbaren Datenträger mit einer Informationsspur und einer optischen Abtasteinrichtung zur Abtastung der Informationsspur besteht, die an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Der Kern der Erfindung besteht nunmehr darin, dass die Abtasteinrichtung zur Abtastung der Informationsspur eine Bilderfassungseinrichtung ist.

Die Informationsspur des Datenträgers wird flächig abgetastet und das Abbild der Informationsspur am Abtastort mit Referenzbildern verglichen.

Dazu weist die Informationsspur des Datenträgers eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche auf.

Während eines Kalibriervorganges wird die strukturierte Oberfläche des Datenträgers einmalig schrittweise mit einer Auflösung entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit abgetastet und in Form von auf die Abtastorte bezogenen Referenzbildern gespeichert. Dazu werden die jeweiligen Abtastorte von einer unabhängigen Meßeinrichtung mit hoher Genauigkeit ermittelt.

Bei der bestimmungsgemäßen Positionserkennung wird die strukturierte Oberfläche des Datenträgers an der aktuellen Position abgetastet und mit den gespeicherten Referenzbildern verglichen. Die gesuchte Position ist diejenige, bei der das Referenzbild mit dem Abbild der Informationsspur des Datenträgers an der aktuellen Position zur Deckung kommt.

Vorteilhafterweise ist die Meßgenauigkeit entsprechend den jeweiligen Anforderungen aus der Anwendung skalierbar. Die Meßgenauigkeit ist durch Größe und Kontrast der Struktur auf der Strukturträgeroberfläche, sowie die optische Auflösung der Abbildungen vorgebbar.

Die Positionserkennung durch Vergleich des Abtastbilds der Oberfläche des Datenträgers an der aktuellen Position mit gespeicherten Referenzbildern erlaubt in vorteilhafter Weise die zweidimensionale Positionserkennung in der Ebene des Datenträgers mit einem einzigen Datenträger.

Darüber hinaus verzichtet die erfindungsgemäße Positionserkennung weitgehend auf bewegte Bauteile im Positionssensor. Dadurch werden Meßwertverfälschungen durch Lose und Spiele vermieden.

Nach einem weiteren Merkmal ist vorgesehen, dass die Informationsspur eine zufällig strukturierte Oberfläche aufweist. Vorteilhafterweise ergibt sich diese zufällige Oberflächenstruktur bereits aus dem Herstellungsprozeß des Datenträgers, so daß das Aufzeichnen von Positionskennzeichen auf die Informationsspur des Datenträgers ersatzlos entfällt.

Nach einem weiteren Merkmal ist vorgesehen, dass die Informationsspur eine gemäß einem vorgebbaren Muster strukturierte Oberfläche aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Drehwinkelsensors mit einer lateralen Informationsspur

a) in Draufsicht
b) in teilweise geschnittener Seitenansicht

2 eine Prinzipdarstellung eines Drehwinkelsensors mit einer Informationsspur auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes in teilweise geschnittener Seitenansicht
3 eine Prinzipdarstellung eines Drehwinkelsensors mit einer circumferalen Informationsspur

a) in Draufsicht
b) in teilweise geschnittener Seitenansicht

In 1 ist ein Drehwinkelsensor bestehend aus einem auf einer Welle 2 befestigten, drehbaren Datenträger 5 mit einer Informationsspur 1 und einer optischen Abtasteinrichtung 3 zur Abtastung der Informationsspur 1. Die Abtasteinrichtung 3 ist an eine Auswerteeinheit 4 angeschlossen. Dabei ist vorgesehen, dass die optische Abtasteinrichtung 3 eine Bilderfassungseinrichtung ist.
Die Informationsspur 1 wird über eine vorgebbare Abtastfläche flächig abgetastet. In einem einmaligen automatischen Kalibriervorgang wird die Informationsspur 1 zunächst entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit in mehreren diskreten Schritten abgetastet und in Form von auf die Abtastorte bezogenen, sich teilweise überlappenden Referenzbildern gespeichert. Der Abtastort ist durch den Drehwinkel definiert.
Bei der bestimmungsgemäßen Drehwinkelerkennung wird die Informationsspur 1 des durch Drehung relativ zur Abtastfläche der Abtasteinrichtung positionierten Datenträgers 5 an der aktuellen Position abgetastet und mit den gespeicherten Referenzbildern verglichen. Die gesuchte Position wird dadurch bestimmt, dass die Strukturen im Abbild der Informationsspur 1 des Datenträgers 5 an der aktuellen Position in einem der gespeicherten Referenzbilder wiedererkannt werden.
Beim Vergleich des Abbilds der Informationsspur 1 des Datenträgers 5 an der aktuellen Position mit den gespeicherten Referenzbildern werden für sich bekannte Mustererkennungsverfahren verwendet. Auf Bilderkennungsverfahren basierende Geräte, bei denen jedoch nur die relative Änderung zur vorhergehenden Position von Interesse ist, sind heute bereits auf dem Markt erhältlich. Dazu wird auf die optische Computermaus der Firmen Hewlett Packard und Agilent verwiesen.
Die Informationsspur 1 des Datenträgers 5 weist eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche auf. Insbesondere weist die Informationsspur 1 eine zufällig strukturierte Oberfläche auf. Vorteilhafterweise ergibt sich diese zufällige Oberflächenstruktur bereits aus dem Herstellungsprozeß des Datenträgers 5, so daß das Aufzeichnen von Positionskennzeichen auf die Informationsspur 1 des Datenträgers 5 ersatzlos entfällt. Ein derartiger Datenträger 5 stellt im Vergleich mit bekannten, geeigneten Datenträgern einen Rohling dar und ermöglicht daher eine preiswerte Massenfertigung.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Informationsspur 1 eine gemäß einem vorgebbaren Muster strukturierte Oberfläche aufweist. Dazu wird die Oberfläche der Informationsspur 1 mit für sich bekannten Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren, bearbeitet.
Auch zufällige Strukturen können mittels bekannter Verfahren. beispielsweise einer Rauhätzung zur Kontrastverstärkung, gezielt eingebracht werden.
Das Verfahren ist mit bereits marktüblichen Standardkomponenten realisierbar. Mit fortschreitender Technik der CAD-Chips und CMOS-Bildsensoren sind Auswertungen bereits auf dem Bilderfassungschip durchführbar. Zur Datenreduktion kann eine Clusterung der Bildinformation im Sensor durchgeführt werden, und so einen Einsatz bekannter Mustererkennungsverfahren ermöglichen. Es lassen sich beliebige gängige Methoden, wie beispielsweise Korrelation oder Kontrastverstärkung zur Lokalisation des Bildes in der Referenzfläche einsetzen.
Als Abtasteinrichtung können sowohl Zeilen- als auch Flächenkameras zum Einsatz kommen. Flächenkameras führen dabei zu einer höheren Fehlertoleranz, da die Erkennungsalgorithmen exaktere Ergebnisse liefern und Verschmutzungen des Datenträgers 5 prozentual kleinere Anteile der Abtastfläche überdecken. Eventuell durch Temperaturwechsel auftretende Ausdehnung oder Schrumpfung der Scheibe kann in der Auswerteelektronik berücksichtigt werden, solange sie gleichmäßig über die gesamte Scheibe auftritt.
In einer ersten Ausführungsform ist der Datenträger 5 gemäß den Darstellungen in den 1a und 1b scheibenförmig und die Informationsspur 1 lateral in der Ebene des Datenträgers 5 konzentrisch zur Drehachse 2 angeordnet. Die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung 3 ist der Drehachse 2 parallelgeordnet.
Darüber hinaus erlaubt das Prinzip des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors weitere Aufbauformen, die vorteilhafterweise individuelle Anpassungen an die bauliche Situation um die abzutastende Welle 2 gestatten.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 2 eine zweite Ausführungsform dargestellt. Der Datenträger 5 ist im wesentlichen kreisscheibenförmig und in seinem radialen Randbereich gefast. Die Oberfläche der Fase bildet die Mantelfläche eines Kegelstumpfes und ist mit der Informationsspur 1 ausgestattet. Die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung 3 ist gegenüber der Drehachse 2 um den Fasenwinkel radial geneigt.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in den 3a und 3b eine dritte Ausführungsform dargestellt. Der Datenträger 5 ist im wesentlichen kreisscheibenförmig und mit einem umfänglichen zylindrischen Kragen ausgestattet, auf dessen Mantelfläche die Informationsspur 1 circumferal angeordnet ist. Die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung 3 ist radial zur Drehachse 2 angeordnet.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberfläche der Welle 2 als solche mit der Bilderfassungseinrichtung 3 abgetastet. Ein separater Datenträger 5 ist dabei verzichtbar.
Vorteilhafterweise arbeitet die Signalverarbeitung im Drehwinkelsensor ausschließlich auf der Basis digitaler Informationen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der Verzicht auf manuelle Justage im Ergebnis der beschriebenen automatischen Kalibrierung der Messeinrichtung.
Darüber hinaus erlaubt das Verfahren eine kontaktlose Abtastung des Datenträgers 5. Die Einrichtung zur Positionserkennung wird dadurch verschleißfrei. Eventuell auftretende Fehlpositionierungen durch Verschiebung, Verdrehung oder azentrische Anordnung werden durch den eingesetzten Positionserkennungs-Algorithmus erkannt und kompensiert.

1: Informationsspur
2: Drehachse/Welle
3: Bilderfassungseinrichtung
4: Auswerteeinheit
5: Datenträger

Claims

Drehwinkelsensor bestehend aus einem auf einer Welle befestigten, drehbaren Datenträger mit einer Informationsspur und einer optischen Abtasteinrichtung zur Abtastung der Informationsspur, die an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, – dass die Abtasteinrichtung zur Abtastung der Informationsspur eine Bilderfassungseinrichtung ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsspur (1) des Datenträgers (5) eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsspur (1) des Datenträgers (5) eine zufällig strukturierte Oberfläche aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsspur (1) des Datenträgers (5) eine gemäß einem vorgebbaren Muster strukturierte Oberfläche aufweist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger (5) scheibenförmig ist und die Informationsspur (1) lateral in der Ebene des Datenträgers (5) radial zur Drehachse (2) angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger (5) im wesentlichen scheibenförmig und umlaufend gefast ist und die Informationsspur (1) auf der die Mantelfläche eines Kegelstumpfes bildenden Phase angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger (5) einen zylindrischen Kragen aufweist, auf dessen Mantelfläche die Informationsspur (1) circumferal angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) der Datenträger und die Oberflächenstruktur der Welle (2) die abgetastete Informationsspur (1) ist.